功率器件IGBT的选型探究

摘 要 针对大功率变频器中功率器件IGBT选型，富士公司设计了IGBT仿真软件Fuji IGBT simulator，大大缩短了对于富士IGTB损耗和温升的计算时间，提高设计的速度，更加适应于在工程应用之中。

【关键词】IGBT 损耗和温升 Fuji IGBT simulator

电压控制性元器件IGBT（Isolated Gate Bipolar Transistor）作为第三代功率器件，是单元串联高压变频器的功率单元逆变电路中非常关键的功率器件，IGTB的正确选取会直接影响到功率单元能否正常工作。

由于设备和器件长期处于一个大功率的工作状态，因此在选型过程中不仅仅需要考虑耐压，电流上限，最大工作频率以及安全工作区域（SOA）这些基本参数，还需要着重考虑功率器件IGTB的损耗和温升的因素。本文主要讲述对于富士IGBT进行快速设计和选型分析，对于损耗和温升计算仿真提供指导意义。

1 IGBT损耗和温升的基本原理

IGBT模块一般包括IGBT和二极管FWD组成。由于IGBT模块在逆变电路中会不断导通和关断，因此其损耗可以认为由IGBT和FWD损耗之和组成，而IGBT和FWD各自的损耗又由导通损耗和关断损耗组成，即

2 基于IGBT simulator仿真工具的损耗和温升分析

上面讲述了IGTB模块损耗和温升的计算方法，虽然根据上面公式可以计算出具体的损耗和温升，但是在实际的工程应用之后，对于工程设计需要追求更加便捷和快速的方法。根据工程的需要，有些功率器件IGBT厂商依据自己的产品特性设计出了针对自己产品的仿真计算软件，可以大大缩减工程设计的时间和工作量。下面主要运用富士的IGBT仿真工具Fuji IGBT simulator对于富士IGBT进行损耗和温升的仿真分析。

对于10kV高压变频器，设计的功率单元样机的额定直流母线电压为1000V，额定最大输出电流为850A的产品。查询富士IGBT产品手册，根据耐压和电流上限等基本参数选择型号为1MBI1600U4C-170的IGBT模块，其耐压为1700V，额定电流为1600A。

打开仿真软件Fuji IGBT simulator，输入相关参数，并且需要考虑一定的裕量。具体输入的参数如下

（a）直流母线电压VDC=1100V

（b）有效输出电流值Iout=1050A

（c）IGBT开关频率f=700Hz

（d）功率因数

（e）散热器温度Th=90℃

选择选定的富士IGBT的型号之后，设置好相关参数，点击仿真计算按钮，软件即显示出仿真的损耗和温升的曲线，图1为IGBT和FWD的损耗曲线，图2为温升结果曲线。

由此，经过仿真分析，由上图可知所选型号富士IGBT在运行工作时的最大结温接近112℃，查询参数手册可知允许的IGTB最大结温为150℃，因此根据仿真结果可以认为可以选用。

3 结论

采用Fuji IGBT simulator对富士IGBT进行仿真计算，可以减免复杂繁琐的计算，更加快速直观的得到IGTB的损耗和温升结果，排除不符合条件的功率器件，对于工程应用有着很大的指导意义。下一步就是进行实际的温升实验再次验证，即可最终确定功率器件选用。

参考文献

[1]王昌南，何凤有，田明.大功率三电平防爆变频器散热分析和计算[J].工矿自动，2013，39（1）：88-97.

[2]王群京，陈权，姜卫东等.中点钳位型三电平逆变器通态损耗分析[J].电工技术学，2007，22（3）：66-71.

[3]Leon M.Tolbert.Habetler.Multilevel Converters for Large Electric Drives.IEEE Transitions On Industry Applications，VOL.35 No.1 January 2011：8-12.

[4]仲华，风冷大功率高压变频器中的功率单元开发[D].上海交通大学（硕士学位论文），2012.

作者单位

桂林电子科技大学 广西壮族自治区桂林市 541004