PWM方式開關(guān)電源中IGBT的損耗分析

在電力電子領(lǐng)域，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)作為高性能開關(guān)器件，廣泛應(yīng)用于PWM(脈寬調(diào)制)方式工作的開關(guān)電源中。IGBT的損耗直接影響開關(guān)電源的效率、熱設(shè)計及可靠性。因此，深入分析IGBT在PWM方式下的損耗特性，對于優(yōu)化開關(guān)電源設(shè)計具有重要意義。

一、IGBT損耗概述

IGBT的損耗主要分為導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。導(dǎo)通損耗是IGBT在導(dǎo)通狀態(tài)下，由于內(nèi)部電阻產(chǎn)生的損耗;開關(guān)損耗則是IGBT在開通和關(guān)斷過程中，由于電壓和電流的非理想特性重疊產(chǎn)生的損耗。

導(dǎo)通損耗：IGBT在導(dǎo)通時，其內(nèi)部電阻(Rdson)會產(chǎn)生熱量，損耗功率為Idc2×Rdson，其中Idc為直流電流。導(dǎo)通損耗與負(fù)載電流的平方成正比，與IGBT的導(dǎo)通電阻成正比。

開關(guān)損耗：開關(guān)損耗包括開通損耗和關(guān)斷損耗。開通損耗發(fā)生在IGBT由截止?fàn)顟B(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)時，由于電壓和電流存在交疊區(qū)，會產(chǎn)生功率損耗;關(guān)斷損耗則發(fā)生在IGBT由導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)時，同樣由于電壓和電流的交疊而產(chǎn)生損耗。開關(guān)損耗的大小與IGBT的開關(guān)速度、開關(guān)頻率及負(fù)載條件有關(guān)。

二、PWM方式下的IGBT損耗分析

PWM技術(shù)通過調(diào)節(jié)開關(guān)器件的導(dǎo)通時間占空比，控制輸出電壓或電流的平均值。在PWM方式工作的開關(guān)電源中，IGBT的損耗特性受到調(diào)制方式、開關(guān)頻率、負(fù)載電流及電壓應(yīng)力等多種因素的影響。

調(diào)制方式的影響：PWM調(diào)制方式?jīng)Q定了IGBT開關(guān)動作的頻率和占空比。在高頻PWM調(diào)制下，IGBT的開關(guān)損耗會顯著增加，因為開關(guān)動作更加頻繁。同時，占空比的變化也會影響IGBT的導(dǎo)通損耗。當(dāng)占空比增大時，IGBT的導(dǎo)通時間增加，導(dǎo)通損耗隨之增大;反之，占空比減小時，導(dǎo)通損耗減小。

開關(guān)頻率的影響：開關(guān)頻率是PWM調(diào)制中的關(guān)鍵參數(shù)。提高開關(guān)頻率可以提高輸出電壓或電流的調(diào)節(jié)精度，但也會增加IGBT的開關(guān)損耗。因為每次開關(guān)動作都會產(chǎn)生損耗，頻率越高，損耗累積越快。因此，在開關(guān)電源設(shè)計中，需要權(quán)衡調(diào)節(jié)精度和開關(guān)損耗之間的關(guān)系，選擇合適的開關(guān)頻率。

負(fù)載電流的影響：負(fù)載電流是影響IGBT損耗的重要因素。負(fù)載電流越大，IGBT的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗都會增加。導(dǎo)通損耗與負(fù)載電流的平方成正比，而開關(guān)損耗則與負(fù)載電流的大小和開關(guān)速度有關(guān)。因此，在重載條件下，IGBT的損耗會顯著增加，需要更加關(guān)注散熱設(shè)計和熱管理。

電壓應(yīng)力的影響：IGBT在工作過程中承受的電壓應(yīng)力也會影響其損耗。電壓應(yīng)力越大，IGBT在開通和關(guān)斷過程中產(chǎn)生的電壓和電流交疊區(qū)越大，開關(guān)損耗也隨之增加。同時，高電壓應(yīng)力還會增加IGBT的擊穿風(fēng)險，降低其可靠性。因此，在開關(guān)電源設(shè)計中，需要合理設(shè)置IGBT的電壓等級和耐壓值。

三、IGBT損耗的測量與計算方法

準(zhǔn)確測量和計算IGBT的損耗是評估其性能、優(yōu)化開關(guān)電源設(shè)計的基礎(chǔ)。IGBT損耗的測量通常包括電流和電壓的測量以及損耗的計算。

電流測量：電流測量應(yīng)使用高頻無源電流互感器，避免使用磁平衡式電流傳感器，因為后者響應(yīng)速度較慢，無法滿足測量要求。電流互感器應(yīng)置于被測IGBT的發(fā)射極或集電極，以獲取準(zhǔn)確的電流值。

電壓測量：電壓測量可以使用示波器探頭直接觀測IGBT的開通和關(guān)斷過程中的電壓波形。但需要注意的是，對于開通時IGBT電壓拖尾過程和通態(tài)飽和壓降的測量，需要使用箝位電路來避免示波器產(chǎn)生失真和漂移。

損耗計算：根據(jù)測量得到的電流和電壓波形，可以對IGBT的損耗進(jìn)行分段積分計算。開通損耗和關(guān)斷損耗可以通過對電壓和電流的交疊區(qū)進(jìn)行積分得到;導(dǎo)通損耗則可以通過對導(dǎo)通狀態(tài)下的電壓和電流乘積進(jìn)行積分得到。同時，還需要考慮IGBT的飽和壓降對導(dǎo)通損耗的影響。

四、優(yōu)化IGBT損耗的策略

為了降低IGBT在PWM方式開關(guān)電源中的損耗，可以采取以下策略：

選擇低損耗IGBT：選用具有低導(dǎo)通電阻和低開關(guān)損耗的IGBT器件，可以顯著降低損耗。例如，采用非穿通型(NPT)技術(shù)的IGBT器件，其開關(guān)速度不隨結(jié)溫變化，熱循環(huán)能力強(qiáng)，可以降低對散熱器的要求。

優(yōu)化PWM調(diào)制方式：通過優(yōu)化PWM調(diào)制方式，如采用隨機(jī)PWM控制，可以降低IGBT的開關(guān)損耗。隨機(jī)PWM控制通過隨機(jī)分散開關(guān)頻率，將EMI噪聲分布在更寬的頻率范圍內(nèi)，從而降低開關(guān)損耗和溫升。

合理設(shè)置開關(guān)頻率：在開關(guān)電源設(shè)計中，需要權(quán)衡調(diào)節(jié)精度和開關(guān)損耗之間的關(guān)系，選擇合適的開關(guān)頻率。在重載條件下，可以適當(dāng)降低開關(guān)頻率以減少損耗;在輕載條件下，可以提高開關(guān)頻率以提高調(diào)節(jié)精度。

加強(qiáng)散熱設(shè)計：針對IGBT的高損耗特點(diǎn)，需要加強(qiáng)散熱設(shè)計，確保IGBT在工作過程中不會因過熱而損壞?？梢圆捎蒙崞?、風(fēng)扇、液冷等散熱方式，提高IGBT的散熱效率。

五、結(jié)論

IGBT在PWM方式開關(guān)電源中的損耗特性受到多種因素的影響，包括調(diào)制方式、開關(guān)頻率、負(fù)載電流及電壓應(yīng)力等。通過準(zhǔn)確測量和計算IGBT的損耗，并采取相應(yīng)的優(yōu)化策略，可以降低損耗，提高開關(guān)電源的效率、可靠性和穩(wěn)定性。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，IGBT的性能將不斷提升，其在PWM方式開關(guān)電源中的應(yīng)用也將更加廣泛。