一文解读IGBT驱动设计中的热设计方案
igbt应用中，驱动设计主要影响igbt开关的表现和短路保护的安全性，结构设计影响了杂散电感和均流性，而热设计对整个系统是决定性的，它决定了变流器能否达到要求的输出功率等性能指标，而热设计恰恰是刚入行的igbt应用工程师最容易忽视的问题。
热设计是个统称，其中包含了发热功率的计算和修正、散热系统的测量验证。我们就从这两个方面展开详细说说。
1- igbt发热功率的计算和修正
上一期我视频中介绍的iposim就是发热功率的计算工具，iposim是基于plecs软件基础之上做的应用开发，用户选择拓扑输入条件参数后，网页会把信息发送到后台服务器用plecs进行运算，然后再把运算结果返回到用户界面，iposim可以覆盖大部分的拓扑结构，因此省去了客户自己用plecs编程建模的工作，而且是免费开放使用的，省去了客户自己付钱购买plecs软件，所以真的很感谢英飞凌能提供这样免费优质的服务。
当然如果你系统的拓扑比较复杂或不常见，iposim无法提供相应的选项，你也可以自己用plecs或其他仿真工具编程计算。当然，还有最原始的方法，拿支笔在纸上算。怎么算？波老师来告诉你：
发热功率分为两部分：导通损耗功率，和开关损耗功率。
不同的拓扑计算的简化公式是不一样的，当然如果不简化那都是一样的，就是把开关过程的每次开关损耗都累加起来，然后再把导通过程中的电压电流相乘积分后累加起来。但是这事基本人没法干只能让计算机干，plecs软件就是用这个方法。
对于开关电源类拓扑的损耗计算相对简单，因为开关电源基本工作在稳态，每次开关的电流电压是固定的，所以每次的eon、eoff也是一定的。
开关损耗功率 psw = fsw (eon + eoff)，fsw为开关频率，eon、eoff为实际开关时刻的电压电流对应的损耗。二极管同理psw = fsw * erec。
导通损耗功率 pcond = d * vcesat（@ic） * ic，其中d为igbt的导通占空比，ic为实际流过igbt的电流值，可能是个线性（硬开关）或非线性（llc）的变化值，如果你追求精确可以用ic(t)来表示，即随时间变化的ic方程式。如果你嫌麻烦，可以用一次导通过程中的平均电流作为ic，虽然有点误差，但是方便很多。vcesat也是要用此实际导通电流下的饱和压降，千万别用成了igbt额定电流的饱和压降。二极管同理。
对于spwm逆变拓扑的计算方法，一般采用论文[d.srajber, w. lukasch: the calculation of the power dissipation for
the igbt and the inverse diode in circuits with the sinusoidal output voltage; electronica ´92proceedings, pp. 51-58] 中介绍的方法，我就直接贴公式了，大家下载iposim离线版的压缩包，里面有一个pdf文件介绍了这些计算公式。
上面是计算方法，而修正的办法如上期视频中所述，需要基于实测的eon
、eoff、erec来选择rg，并输入实测的散热器热阻（因为结温会影响损耗）。
2- 散热系统的测试验证
igbt模块的散热系统常见如下图所示。
在上图中，所有的热阻rth都对应了一段温升δt，温升和热阻的关系等同于欧姆定律。
环境温度ta是很容易准确的测量出来的。
rthjc是igbt的datasheet里给出了的。
恒温tc和散热器温度th也可以测量，但是测量的精确性不容易保证。
测量方法如下图（截图自英飞凌an2015-10）：
但是这种测量的准确性不容易控制，需要多次反复测量来验证结果的可信性。为什么测不准？因为热电偶的接触不是那么靠谱，细节我会在以后的文章里介绍。
现在假设你已经能够较准确的测出了tc，根据公式rth=δt/p，那还需要得到损耗功率p。
损耗功率p是通过计算得出的，但是在实际工作中igbt会带高压，不容易直接测出igbt模块的发热功率。如果对计算热阻不放心，也可以用低压直流或交流电源模拟出实际的损耗功率p，来验证计算的p准不准。
方法如下：
- 假设在额定工况下计算出的损耗功率是100w。
- 首先如上述方法在散热器上开槽或打孔埋入热电偶（热电偶的位置要在芯片正下方，芯片位置图可以问厂商）。
- 让变流器工作在额定工况下，实测tc或th。
- 然后在此散热器上给igbt芯片持续导通低压直流电源，控制电源的电流，使igbt芯片的发热功率等于100w，此时再次实测tc或th，通过对比测试结果可以判断出仿真计算的准确性。
- 注意：上述模拟发热的测试tc会略高于实际工况，因为发热集中在igbt芯片或二极管芯片，如果追求完美，可以用h桥来控制电流方向和占空比，以精确分配igbt和二极管的发热功率占比。
- 用(tc-ta)/p就等于底壳到环境的热阻rth_ca，此热阻包含了散热器的热阻和安装接触面（导热介质层）的接触热阻。
有没有觉得很简单？别高兴太早，刚才有个坑还没填上，就是tc、th测量准确性的问题。那有没有什么办法绕过这个坑？我想机智的你肯定发现了上图中有块奇怪的黑色不明物。
那其实是未灌胶喷黑的igbt模块，大图如下：
当我们给这个黑漆漆的igbt模块通上直流电源模拟损耗功率后，我们要用到一个神器~~~红外成像仪！用来实拍igbt的芯片结温，如下图：
为啥要喷黑漆？确切地说是无反光黑漆，因为这样符合成像仪默认的红外反射率，否则反射率不对，测量结果就不准了。
另外需要注意的是，红外成像仪测出的芯片表面最高温度也并不是我们通常所指的tvj，如下图所述，一般的定义是用非绑定线的最高温与两个，边缘点温度求平均得到的温度才是in-situ测试法中对应的tvj。（注：in-situ 是指电测结温法，用小电流下的饱和压降来推算出结温）
测出了结温tj，直接用（tj-ta）/p，即得到整个热阻rthjc+rthch+rthha。
减去已知的rthjc，就得到了我们接触热阻加散热器热阻了。
按这样去套流程走一遍，散热系统的热阻就清楚得妥妥的了，这时候你可以用刚刚测出的热阻值减去iposim里默认的rthch，得到散热器的热阻rthha，用这个热阻输入到iposim里，那计算结果就妥妥得靠谱啦！
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上一期我视频中介绍的iposim就是发热功率的计算工具，iposim是基于plecs软件基础之上做的应用开发，用户选择拓扑输入条件参数后，网页会把信息发送到后台服务器用plecs进行运算，然后再把运算结果返回到用户界面，iposim可以覆盖大部分的拓扑结构，因此省去了客户自己用plecs编程建模的工作，而且是免费开放使用的，省去了客户自己付钱购买plecs软件，所以真的很感谢英飞凌能提供这样免费优质的服务。
当然如果你系统的拓扑比较复杂或不常见，iposim无法提供相应的选项，你也可以自己用plecs或其他仿真工具编程计算。当然，还有最原始的方法，拿支笔在纸上算。怎么算？波老师来告诉你：
发热功率分为两部分：导通损耗功率，和开关损耗功率。
不同的拓扑计算的简化公式是不一样的，当然如果不简化那都是一样的，就是把开关过程的每次开关损耗都累加起来，然后再把导通过程中的电压电流相乘积分后累加起来。但是这事基本人没法干只能让计算机干，plecs软件就是用这个方法。
对于开关电源类拓扑的损耗计算相对简单，因为开关电源基本工作在稳态，每次开关的电流电压是固定的，所以每次的eon、eoff也是一定的。
开关损耗功率 psw = fsw (eon + eoff)，fsw为开关频率，eon、eoff为实际开关时刻的电压电流对应的损耗。二极管同理psw = fsw * erec。
导通损耗功率 pcond = d * vcesat（@ic） * ic，其中d为igbt的导通占空比，ic为实际流过igbt的电流值，可能是个线性（硬开关）或非线性（llc）的变化值，如果你追求精确可以用ic(t)来表示，即随时间变化的ic方程式。如果你嫌麻烦，可以用一次导通过程中的平均电流作为ic，虽然有点误差，但是方便很多。vcesat也是要用此实际导通电流下的饱和压降，千万别用成了igbt额定电流的饱和压降。二极管同理。
对于spwm逆变拓扑的计算方法，一般采用论文[d.srajber, w. lukasch: the calculation of the power dissipation for
the igbt and the inverse diode in circuits with the sinusoidal output voltage; electronica ´92proceedings, pp. 51-58] 中介绍的方法，我就直接贴公式了，大家下载iposim离线版的压缩包，里面有一个pdf文件介绍了这些计算公式。
上面是计算方法，而修正的办法如上期视频中所述，需要基于实测的eon
、eoff、erec来选择rg，并输入实测的散热器热阻（因为结温会影响损耗）。
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igbt模块的散热系统常见如下图所示。
在上图中，所有的热阻rth都对应了一段温升δt，温升和热阻的关系等同于欧姆定律。
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恒温tc和散热器温度th也可以测量，但是测量的精确性不容易保证。
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损耗功率p是通过计算得出的，但是在实际工作中igbt会带高压，不容易直接测出igbt模块的发热功率。如果对计算热阻不放心，也可以用低压直流或交流电源模拟出实际的损耗功率p，来验证计算的p准不准。
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