IGBT热仿真软件操作方法

7-1 三菱电机功率模块技术研讨会三菱电机功率模块技术研讨会三菱电机功率模块技术研讨会三菱电机功率模块技术研讨会 Mitsubishi Electric Corporation 20010 年年 10 月月 功耗和热仿真软件的使用功耗和热仿真软件的使用功耗和热仿真软件的使用功耗和热仿真软件的使用 7-2 该软件可以计算三菱功率模块在电压逆变器和该软件可以计算三菱功率模块在电压逆变器和DC-DC变换器应用中变换器应用中IGBT， ， MOSFET，续流二极管的硅片温度和相对温升。，续流二极管的硅片温度和相对温升。 输入参数输入参数: 直流母线电压，输出电流，载波频率， 输出频率，门极电阻，功率因数， 调制率，占空比，散热器温度（模块正下方） 直流母线电压，输出电流，载波频率， 输出频率，门极电阻，功率因数， 调制率，占空比，散热器温度（模块正下方） 可应用于可应用于 ?家电应用家电应用 o 洗衣机洗衣机 o 电冰箱电冰箱 o 空调空调 ?UPS (不间断电源不间断电源) ?新能源新能源 o 太阳能发电太阳能发电 o 风电风电 o 燃料电池发电燃料电池发电 ?逆变器逆变器 o 工业, 工业, o 传动, 传动, o 电动汽车电动汽车 ?伺服伺服 o 机床机床 o 机器人机器人 什么是三菱功率模块功耗仿真软件？什么是三菱功率模块功耗仿真软件？ 什么是三菱功率模块功耗仿真软件？什么是三菱功率模块功耗仿真软件？ 7-3 功率模块选型指导功率模块选型指导 功率模块选型指导功率模块选型指导 电机 ICP VCC VCC = 直流母线电压 i(t) t ICP = 最大输出峰值电流 应用应用应用应用 : : 变频器变频器变频器变频器 7-4 选型准则选型准则 ?电气设计 (VCE ,IC ) ?热设计 ( Tj ) 保证模块工作在保证模块工作在 SOA区内区内 ( VCE vs IC ) Tj(max) : 低于低于150 Keep SOAKeep Tj max. 要点要点 选型准则选型准则 选型准则选型准则 7-5 根据电气设计准则进行选型根据电气设计准则进行选型 根据电气设计准则进行选型根据电气设计准则进行选型 安全工作区安全工作区 , 3 2 CES VVCC (min)10(min) GGG RRR CTC j 12525 IC 2IC 600V1200V i Collector-Emitter Voltage Collector Current Vce 选择功率模块额定值选择功率模块额定值选择功率模块额定值选择功率模块额定值 a) 最大集电极电流最大集电极电流 : Ic 1/2Icp b) C-E间最大电压间最大电压: VCES 大于大于C-E间最大浪涌电压间最大浪涌电压 c) C-E间最大电压间最大电压: VCES 3/2Vcc RG推荐值为3-5倍RG（min） 但是需要确认Vcep、噪声和开关损耗 7-6 ?Step1: 通过饱和压降特性和开关特性计算通过饱和压降特性和开关特性计算IGBT & FWD上的总功耗上的总功耗 ?Step2: 通过总功耗和热阻计算结温通过总功耗和热阻计算结温 ?Step3: 评价计算出的结温是否满足设计需求评价计算出的结温是否满足设计需求 根据热设计准则进行选型根据热设计准则进行选型 根据热设计准则进行选型根据热设计准则进行选型 总功耗总功耗总功耗总功耗 温度温度温度温度 评价评价评价评价 使用 三菱 功耗 仿真 软件 7-7 IGBT DC-Loss IGBT SW-Loss FWD DC-Loss FWD SW-Loss PWM工作时平均功耗计算工作时平均功耗计算(VVVF 变频器变频器) 斩波工作时平均功耗计算斩波工作时平均功耗计算(电机堵转电机堵转) IGBT -Loss FWD -Loss fcIeErrDutyIeVIeEC+)()1 ()( fcIcEoffIcEonDutyIcsatVIcCE+)()()( DC-Loss DC-Loss SW-Loss SW-Loss 7-8 U相波形相波形 UVW 3相变频器运行相变频器运行 3相变频器运行相变频器运行 7-9 1) IGBT 静态损耗静态损耗 voutiout 功率因数:cos ic VCE(sat) ICP : 最大集电极 峰值电流 VCE(sat) IO Step1: 总功耗总功耗 - 静态损耗静态损耗 & 开关损耗开关损耗 Step1: 总功耗总功耗 - 静态损耗静态损耗 & 开关损耗开关损耗 )sin(XII CPO = Io VC E i t 根据具体应用根据具体应用根据根据data-sheet 根据具体应用根据具体应用 dX XD X IV X IPCPsatCECPDCIGBT 2 )sin(1 )sin()sin( 2 1 0 )( + = ICP X 7-10 2) IGBT 开关损耗开关损耗 T=1/fC Esw(on) at IOEsw(off) at IO EE i i 3) IGBT 总功耗总功耗 Esw(on ) IO IO Esw(off) i t fC : Carrier freq. 根据根据data-sheet根据根据data-sheet根据具体应用根据具体应用 dXfX IE X IEP C CPOFFSWCPONSWSWIGBT += 0 )()( )sin()sin( 2 1 PPPSWIGBTDCIGBTIGBT += 7-11 4) FWD 导通损耗导通损耗 dX XD X IV X IPEPECEPDCFWD 2 )sin(1 )sin()sin( 2 1 2 + = voutiout 功率因数: cos ic VEC ICP : 最大峰值电流 VEC IO )sin(XII EPO = Io VE C i t 根据具体应用根据具体应用 根据根据data-sheet 根据具体应用根据具体应用 IEP X 7-12 5) FWD 恢复损耗恢复损耗 T=1/fC E iC Err Err at IEP Recovery loss IEP 6) FWD 总损耗总损耗 i t 根据根据data-sheet根据具体应用根据具体应用 fc: Carrier freq. dXfX IEP C EPrrSWFWD = 2 )sin( 2 1 PPPSWFWDDCFWDFWD += 7-13 Step. 2: 功率模块的热等效电路功率模块的热等效电路 Step. 2: 功率模块的热等效电路功率模块的热等效电路 Rth(j-c)R Rth(j-c)Q T(j-c)Q T(j-c)R T(c-f) 散热器散热器 Rth(c-f) PFWD PIGBT T(j-c)Q=PIGBT Rth(j-c)Q 具体应用中散热器表面温度(Tf) T(j-c)R=PFWD Rth(j-c)R T(c-f)=(PIGBT + PFWD)Rth(c-f) 7-14 结温计算结温计算 结温计算结温计算 1) IGBT 结温结温 2) FWD 结温结温 )()()( )( fcthFWDIGBTQcjthIGBTfQj RPPRPTT += )()()( )( fcthFWDIGBTDcjthFWDfDj RPPRPTT += 7-15 Step 3. 结温的推荐设计和重新选型的指导方针结温的推荐设计和重新选型的指导方针 Step 3. 结温的推荐设计和重新选型的指导方针结温的推荐设计和重新选型的指导方针 ?Tj 125 : 设计需要重新检查设计需要重新检查,选择更大电流的模块。选择更大电流的模块。 ?Tj 125 : 如果结温很低如果结温很低,试一下更小电流的模块 是否满足要求。 或者检查一下可靠性计算 试一下更小电流的模块 是否满足要求。 或者检查一下可靠性计算 7-16 模块选型准则模块选型准则 模块选型准则模块选型准则 模块额定参数最大值推荐工作条件模块额定参数最大值推荐工作条件 VCES IC Tj CESCC 3 2 VV CCCES 2 VV= C (*) CP 2II * CPC II = C150 (*) j TC125 (*) j =T Note（*）：在最严酷应用条件下 7-17 Mitsubishi 功耗仿真软件使用手册 功耗仿真软件使用手册 Melcosim Program Ver.4 http:/www.mitsubishielectric.co.jp/semiconductors/ 7-18 7-19 仿真界面介绍仿真界面介绍 仿真界面介绍仿真界面介绍 选择3 相调制 或者2相 调制 选择模块 所选模块名称 所选模块的热阻 仿真结果 单击 条件入力 工作条件 ASIPM and part of DIP-IPM are excluded. 7-20 应用条件的定义应用条件的定义 应用条件的定义应用条件的定义 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 5 7 9 10 T1 fsw=1/T1 3 Ht Hs Modulation Ratio ma = Hs/Ht 8 Chopper or sinus 9 10 6 T2 fo =1/T2 T fo =1/T 4 fo(min)=0.1Hz 7-21 Inverter output power Po and output current Io P.F.Vo Po Io = 3 Single phase inverter Three-phase inverter Output voltage Vo & Power factor P.F. are necessary. P.F.Vo Po Io = N P N P N P N P 单、三相逆变器的输出电流计算单、三相逆变器的输出电流计算 单、三相逆变器的输出电流计算单、三相逆变器的输出电流计算 7-22 C N N DB P P U W V U W V Up Un VpW p Vn W n Up Un VpW p Vn W n 逆变器逆变器整流器整流器 AC (50/60Hz) 电动机电动机 PKG in PKG in PKG in IGBT Loss FWDi Loss 每一个模块以及每一个模块以及IGBT, FWDi的功耗都相同。的功耗都相同。 N P N P U p U n V p W p V n W n U p U n V p W p V n W n N P N P U p U n V pW p V n W n U p U n V pW p V n W n N P N P U p U n V pW p V n W n U p U n V pW p V n W n 3相变频器的功耗 相变频器的功耗 (电动机运行电动机运行) 3相变频器的功耗 相变频器的功耗 (电动机运行电动机运行) 7-23 3相调制和相调制和2相调制的区别相调制的区别 3相调制和相调制和2相调制的区别相调制的区别 在在3相调制模式的调制波上，叠加相调制模式的调制波上，叠加3次谐波，就构成了次谐波，就构成了2相调制模式。 传统的 相调制模式。 传统的SPWM属于属于3相调制，而相调制，而SVPWM属于属于2相调制。 相调制。 2相调制 模式可以提高逆变器电压利用率并降低 相调制 模式可以提高逆变器电压利用率并降低IGBT开关次数。开关次数。 7-24 二相変調 三相変調 二相変調 三相変調 0180360540720 0 変調率変調率=0.0 UV (度) 線間電圧線間電圧 100% 0% Duty VCC -VCC 0 VU 線間電圧線間電圧 0% 100% Duty VCC -VCC 0180360540720 0 変調率変調率=0.1 UV (度) 線間電圧線間電圧 100% 0% Duty VCC -VCC 0 VU 線間電圧線間電圧 0% 100% Duty VCC -VCC 0180360540720 0 変調率変調率=0.2 UV (度) 線間電圧線間電圧 100% 0% Duty VCC -VCC 0 VU 線間電圧線間電圧 0% 100% Duty VCC -VCC 0180360540720 0 変調率変調率=0.3 UV (度) 線間電圧線間電圧 100% 0% Duty VCC -VCC 0 VU 線間電圧線間電圧 0% 100% Duty VCC -VCC 0180360540720 0 変調率変調率=0.4 UV (度) 線間電圧線間電圧 100% 0% Duty VCC -VCC 0 VU 線間電圧線間電圧 0% 100% Duty VCC -VCC 0180360540720 0 変調率変調率=0.5 UV (度) 線間電圧線間電圧 100% 0% Duty VCC -VCC 0 VU 線間電圧線間電圧 0% 100% Duty VCC -VCC 0180360540720 0 変調率変調率=0.6 UV (度) 線間電圧線間電圧 100% 0% Duty VCC -VCC 0 VU 線間電圧線間電圧 0% 100% Duty VCC -VCC 0180360540720 0 変調率変調率=0.7 UV (度) 線間電圧線間電圧 100% 0% Duty VCC -VCC 0 VU 線間電圧線間電圧 0% 100% Duty VCC -VCC 0180360540720 0 変調率変調率=0.8 UV (度) 線間電圧線間電圧 100% 0% Duty VCC -VCC 0 VU 線間電圧線間電圧 0% 100% Duty VCC -VCC 0180360540720 0 変調率変調率=0.9 UV (度) 線間電圧線間電圧 100% 0% Duty VCC -VCC 0 VU 線間電圧線間電圧 0% 100% Duty VCC -VCC 0180360540720 0 変調率変調率=1.0 UV (度) 線間電圧線間電圧 100% 0% Duty VCC -VCC 0 VU 線間電圧線間電圧 0% 100% Duty VCC -VCC 0180360540720 0 変調率変調率=1.03 UV (度) 線間電圧線間電圧 100% 0% Duty VCC -VCC 0 VU 線間電圧線間電圧 0% 100% Duty VCC -VCC 0180360540720 0 変調率変調率=1.06 UV (度) 線間電圧線間電圧 100% 0% Duty VCC -VCC 0 VU 線間電圧線間電圧 0% 100% Duty VCC -VCC 0180360540720 0 変調率変調率=1.09 UV (度) 線間電圧線間電圧 100% 0% Duty VCC -VCC 0 VU 線間電圧線間電圧 0% 100% Duty VCC -VCC 0180360540720 0 変調率変調率=1.12 UV (度) 線間電圧線間電圧 100% 0% Duty VCC -VCC 0 VU 線間電圧線間電圧 0% 100% Duty VCC -VCC 0180360540720 0 変調率変調率=1.1547 UV (度) 線間電圧線間電圧 100% 0% Duty VCC -VCC 0 VU 線間電圧線間電圧 0% 100% Duty VCC -VCC 3 arm modulation 2 arm modulation U phase duty V phase duty U-V line to line voltage 3相调制和相调制和2相调制的区别相调制的区别 3相调制和相调制和2相调制的区别相调制的区别 Modulation ratio 7-25 T Ht Hs 调制率 (ma ) = Hs/Ht Melcosim 使用的线性 调制率: ma (max) =1 Vo(line to line)(RMS) / Vcc Square wave 0.78 0.61 linear 过调制 方波 013.24 ma 3相调制的调制率和电压利用率相调制的调制率和电压利用率 3相调制的调制率和电压利用率相调制的调制率和电压利用率 7-26 斩波控制模式斩波控制模式 斩波控制模式斩波控制模式 ton toff Duty = ton/(ton+toff) Duty=Modulation Ratio/2 +0.5 7-27 C N N DB P P U W V U W V Up Un VpW p Vn W n Up Un VpW p Vn W n 逆变器逆变器整流器整流器 AC (50/60Hz) 电机电机 PKG in PKG in IGBT Loss FWDi Loss每一个模块以及每一个模块以及IGBT, FWDi的功耗差别很大。的功耗差别很大。 PKG in N P N P Up Un VpW p Vn W n Up Un VpW p Vn W n N P N P Up Un Vp W p Vn W n Up Un Vp W p Vn W n N P Up Un VpWp Vn Wn On OnOn 3相变频器的功耗 相变频器的功耗 (电机堵转电机堵转) 3相变频器的功耗 相变频器的功耗 (电机堵转电机堵转) 7-28 斩波模式仿真斩波模式仿真 斩波模式仿真斩波模式仿真 选择斩 波模式 选择模块 单击 所选模块名称 所选模块的热阻 仿真结果 条件入力 工作条件 7-29 120度直流无刷变频器的功耗仿真 典型控制时序 度直流无刷变频器的功耗仿真 典型控制时序 120度直流无刷变频器的功耗仿真 典型控制时序 度直流无刷变频器的功耗仿真 典型控制时序 上桥臂120度内斩波 下桥臂常开120度 输出电流波形 7-30 型号 选择斩波模式 输入电流 输入母线电压 输入开关频率 输入IGBT 开通占空比 仿真软件截图 每一个P侧IGBT的 损耗。但是在 DC120控制中，该 值需要除3。 每一个N侧续流二 极管的损耗。但是 在DC120控制中， 该值需要除3。 P侧IGBT的温升。但 是在DC120控制中， 该值需要除3。 N侧续流二极管的温 升。但是在DC120控 制中，该值需要除3。 计算计算P侧侧IGBT和和N侧侧FWD的损耗的损耗 计算计算P侧侧IGBT和和N侧侧FWD的损耗的损耗 Tj=T(j-c)+Tc 7-31 型号 选择斩波模式 输入电流 输入母线电压 输入开关频率 输入IGBT 开通占空比”1” 每一个N侧IGBT的 损耗。但是在 DC120控制中，该 值需要除3。 N侧IGBT的温升。但 是在DC120控制中， 该值需要除3。 仿真软件截图 计算计算N侧侧IGBT的损耗的损耗 计算计算N侧侧IGBT的损耗的损耗 Tj=T(j-c)+Tc 7-32 DIPIPM瞬态热阻 直流无刷电动机启动过程的功耗仿真直流无刷电动机启动过程的功耗仿真 直流无刷电动机启动过程的功耗仿真直流无刷电