IGBT的温度监控与安全运行

IGBT的温度及安全运行

IGBT的温度可由下图描述：

温差 (平均值)和热阻关系如下式：
Rthjc = ΔTjc ÷ 损耗
Rthch = ΔTch ÷ 损耗
Rthha = ΔTha ÷ 损耗总和
或Rthha1,2 = ΔTha ÷ 损耗1,2 模块规格书给出：
Rthjc per IGBT（每个IGBT开关）
Rthjc per FWD（每个FWD开关）
Rthch per IGBT（每个IGBT开关）
Rthch per FWD（每个FWD开关）或Rthch per module（每个模块） IGBT/FWD芯片尺寸越大，Rthjc值越小；模块尺寸越大，Rthch值越小；散热器越大，Rthha值越小。

Rthch值的换算：Rthch per arm = Rthchper module × n
Rthch per arm = Rthch_IGBT// Rthch_FWD
Rthha值的换算：Rthha per arm = Rthha × n
其中arm是一个桥臂单元（IGBT+FWD），n是模块内的桥臂单元数

对于含整流桥的PIM，Rthch的换算可以按Rthjc之间的比例来算。

（1）当损耗以周期性脉冲形式（方波/正弦半波）存在时，模块表现出热容性，可用瞬态热阻抗Zthjc来表示。

（2）Zthjc是一个时间变量（瞬态损耗持续的时间）。时间越长，Zthjc值越大。Zthjc的最大值就是Rthjc。
（3）结温Tj的波动幅度与Zthjc有关，Zthjc值越大，Tj的波动幅度就越大。

IGBT模块各个部分的温差ΔT取决于：

（1）损耗（芯片技术、运行条件、驱动条件）；
（2）热阻（模块规格、尺寸）

模块芯片的结温是各部分的温差和环境温度之和：

Tj = ΔTjc + ΔTch + ΔTha + Ta

如果假设壳温Tc恒定，则Tj = ΔTjc + Tc；

如果假设散热器温度Th恒定，则Tj = ΔTjh + Th。

（1）IGBT的平均结温取决于平均损耗、Rthjc和壳温Tc。
（2）在实际运行时，IGBT的结温是波动的，其波动幅度取决于瞬态损耗和Zthjc，而Zthjc又和运行条件（如变频器输出频率）有关。
（3） IGBT的峰值结温为平均结温+波动幅值。

结论：

IGBT的结温（平均/峰值）和芯片技术、运行条件、驱动条件、IGBT规格、模块尺寸、散热器大小和环境温度有关。

IGBT模块的安全运行

安全运行的基本条件：

温度：IGBT结温峰值 Tj_peak ≤ 125°C（150°C）

模块规格书给出了两个IGBT最高允许结温：

Tjmax = 150°C（175°C*）- 指无开关运行的恒导通状态下；

Tvj(max) = 125°C（150°C*）- 指在正常的开关运行状态下。

Tvj(max)规定了IGBT关断电流、短路、功率交变（PC）所允许的最高结温。

电压：Vce ≤ VCES（即IGBT的电压规格），Vge ≤ VGES（±20V）
电流：由RBSOA规定了在连续开关工作条件下，不超过2×IC,NOM。规格书中的RBSOA定义了IGBT所允许关断的最大电流。