【经验】如何计算IGBT单次浪涌电流脉冲的瞬时温升？

时间： 2021-07-09 来源：世强

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IGBT、MOSFET、功率二极管等功率器件在出现重复峰值电流IFR、浪涌电流IFS或者发生雪崩击穿时，瞬时结温会比较高，为了防止功率器件在工作周期中很快受到热应力损坏，因此需要考虑对瞬时结温降额，可以通过浪涌电流、重复峰值电流和雪崩能量在相应壳温下降额来保证。本文重点介绍ROHM的IGBT开关管RGS80TSX2DGC11，在开关电源母线电压放电电路中如何计算IGBT单次浪涌电流脉冲的瞬时温升？

一般在开关电源中大部分开关管频率都在几十kHz～几百kHz 之间，电流波形宽度在1ms 以内，此时如果电流波形幅值小于相应壳温下额定电流幅值降额后的值，一般器件不会有问题，但如果幅值超过了，是否就通不过了呢？我们产品中经常出现幅值远高于厂家规格书给定值而持续时间远小于给定条件的情况。这时，要衡量此类情况的风险性，可以通过计算瞬时最高结温来考核IGBT的可靠性。

图1 UPS不间断电源母线放电电路原理图

在UPS不间断电源母线电压放电电路中的实际应用如上图1所示，一般在电源正常工作时中异常电掉后母线上的电解电容会慢慢放电，考虑安规要求必须要在1S内母线电压放到60V以下，因此通过在正负母线之间通过IGBT和绕线电阻构成的回路来进行快速放电，由于该IGBT工作在单次脉冲下考虑整机空间和布局无散热器来进行散热，因此需要计算IGBT在单次浪涌电流脉冲的瞬时温升，来考核IGBT的可靠性。

一般厂家都会提供矩形功耗脉冲时的瞬时热阻曲线，然而实际电路中的功耗波形大都不是矩形的，在这种情况下的处理方法如下：将此类波形置换为峰值功率Pm相同、面积相同的矩形功耗波形（如下图2蓝色部分），然后根据折算后的矩形功耗波形的时间宽度tp，查瞬时热阻曲线，得到相应的瞬时热阻Ztp。

计算公式; △Tj =Pm*Ztp

图2 正弦波、三级波电路波形折算示意图

下图3所示是实际测试波形，IGBT开通关断后的波形，CH1黄：VGS ，CH2蓝：VDS ，CH3红：IDS，MATH橙：CH2*CH3，VDS尖峰：1180V：

图3 实测IGBT单次开通关断后的波形

图4 实测IGBT正弦波形处理方法折算示意图

通过上图4正弦波形处理方法折算示意图可计算出测试波形等效脉宽如下：

Tp=(1/2*200*1050+1/2*(1050+2160)*50+1/2*136*2160)/2160=332130/2160=154ns

由于一般厂家在提供IGBT开关管的瞬时热抗曲线时，除了提供单次脉冲下的曲线外，也会提供不同占空比时重复脉冲电流下的瞬时热抗曲线，比如上述图1 UPS不间断电源母线放电电路使用的IGBT RGS80TSX2DGC11的瞬时热抗曲线如下图5：

图5 矩形功耗脉冲时的瞬时热阻曲线

通过上图5可知单次脉冲宽度小于10us可按照10us计算，通过矩形功耗波形的时间宽度tp=10μs，可查出瞬时热阻曲线，得到相应的瞬时热阻Ztp=0.005℃/W

瞬时温升=0.005（瞬时热阻）*2160（峰值功率）=10.8℃

环温Tc=55℃,测试壳温：80.28℃

Peak Tj=Pdm*Ztp+TC

Tj罗姆：10.8℃+80.28℃=91.085℃

通过计算罗姆IGBT的瞬时结温为91.085℃,低于IGBT在额定工作电流下降额后的结温，因此在这种工况下不会有损坏的风险。

最后补充几点：

（1）准确的计算IGBT的瞬时结温比较复杂，需要通过热阻模型计算，通过上诉方法计算得出的结果满足公司降额规范的话，可以保证器件在正常工作中处于安全可靠的性能。

（2）在雪崩击穿时的降额考核可以参照电流的方法，计算瞬时结温来考核。

（3）如果厂家规格书没有提供瞬时热抗曲线时，可以参考其他对标的厂家，p2p器件的瞬时热抗曲线

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提供电压范围600-1800V，电流范围3-80A的IGBT单管（场截止沟槽型IGBT/Field Stop Trench IGBT）选型，8种行业标准封装，工业级和车规级产品。

产品型号	品类	电压（V）	电流(A)	封装	器件等级
RGS30TSX2GC11	Field Stop Trench IGBT	1200V	15A	TO-247N	Industrial Grade

选型表 - ROHM 立即选型

ROHM（罗姆）IGBT选型指南（中文）

描述- ROHM的IGBT（绝缘栅双极晶体管）产品为高电压、大电流广泛应用的高效化和节能化做出了贡献。

型号- RGSX5TS65HR,RGS30TSX2DHR,RGWS SERIES,MG7110WZ,RGTH40TS65,RGW40TK65,MG6404WZ,RGS60TS65DHR,MH2106WZ,RGW40TS65,RGSX5TS65DHR,MG6307WZ,RGS30TSX2D,MG7107WZ,MH2204WZ,RGTH60TS65D,MG6405WZ,RGTH40TK65,MG7215WZ,RGT40TS65D,RGW80TS65,RGW80TK65,RGT50TM65D,RGW60TS65D,RGTV60TS65D,RGT50NS65D,MG6403WZ,RGCL SERIES,RGS80TSX2HR,SG6610WN,MG6306WZ,RGTH80TS65,MG6305WZ,RGT40TM65D,RGCL80TK60,RGS30TSX2,RGTVX2TS65D,RGS00TS65DHR,RGPR20BM36HR,RGW00TS65D,MG7106WZ,MH2203WZ,RGTH80TK65,RGCL80TS60,RGS80TSX2DHR,RGWS80TS65D,RGPZ10BM40FH,RGT20NL65D,MG7216WZ,RGTH80TK65D,RGWS80TS65,RGS80TS65HR,RGTH50TS65D,RGW60TS65HR,RGW50TK65D,RGS80TS65DHR,RGS80TSX2,RGW00TS65,RGTVX6TS65,RGT30TM65D,RGW80TS65D,MH2206WZ,RGWX5TS65D,RGC,RGPR10BM40FH,RGTV80TK65,RGCL80TK60D,RGS50TSX2DHR,RGTV80TS65,RGTV00TS65D,MG7213WZ,RGT,RGS,RGT20NL65,RGWX5TS65DHR,RGW,RGCL60TK60D,RGPR30BM40HR,MH2107WZ,RGTVX6TS65D,RGTH40TS65D,RGT00TS65D,RGS80TSX2D,MG6308WZ,RGSX5TS65EHR,RGPR20NS43HR,MG7104WZ,RGWSX2TS65D,SG7110WN,RGW40TK65D,MH2205WZ,RGW00TK65,RGS00TS65HR,RGW60TS65,RGT16BM65D,RGT16TM65D,MG7214WZ,RGW60TK65,RGTV80TK65D,RGW50TS65,MG7901WZ,RGW50TK65,RGC SERIES,RGWX5TS65HR,RGW00TS65DHR,MH2208WZ,RGTH50TS65,RGT20TM65D,MH2101WZ,RGWS00TS65D,RGW80TS65DHR,RGT8NS65D,RGPR50NL45HRB,RGTH60TK65D,RGT40NL65D,RGW□80TS65DHR,RGWS60TS65D,RGTH00TK65D,RGTH SERIES,RGT30NS65D,MG7211WZ,RGTVX2TS65,RGW SERIES,RGTV60TK65D,RGT16NL65D,RGS50TSX2D,RGTH,RGTV,RGC80TSX8R,RGW60TK65D,RGW00TK65D,RGS SERIES,RGS30TSX2HR,RGTH50TK65,RGW00TS65CHR,MG7102WZ,MH2207WZ,RGW60TS65EHR,RGT40NS65D,MG7209WZ,RGW80TS65CHR,SH2102WN,RGTH80TS65D,RGCL,RGS60TS65HR,RGWX5TS65EHR,MG7405WZ,MG7212WZ,RGT80TS65D,RGPZ30BM56HR,RGPR20NL43HR,RGW00TS65HR,RGT50TS65D,MG6402WZ,RGW80TS65HR,RGSX5TS65E,RGT30NL65D,MH2104WZ,MG7109WZ,RGW80TK65E,RGW80TK65D,MH2201WZ,RGPR30NS40HR,MG6304WZ,RGS00TS65EHR,RGW60TS65DHR,RGW50TS65D,RGCL60TS60,RGT8TM65D,RGS50TSX2,RGCL60TK60,SH2103WN,RGCL80TS60D,RGTV00TK65D,RGT8BM65D,RGTH00TS65D,RGTV SERIES,RGTV60TS65,RGTV00TK65,RGWX5TS65,RGTV00TS65,RGT8NL65D,RGTH00TK65,MG7902WZ,RGTV60TK65,RGTH60TK65,RGT60TS65D,RGT16NS65D,MG6401WZ,RGT SERIES,RGT20NS65D,RGS50TSX2HR,MH2103WZ,RGWS60TS65,RGWSX2TS65,RGW00TS65EHR,SG6612WN,RGTH40TK65D,RGW60TS65CHR,MG6303WZ,MH2209WZ,MG7108WZ,RGT50NL65D,MH2102WZ,RGW80TS65EHR,RGWS00TS65,MG7210WZ,RGW40TS65D,RGCL60TS60D,SH2104WN,RGTV80TS65D,RGTH60TS65,RGTH50TK65D,RGWS,RGPR30BM56HR,RGTH00TS65

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ROHM（罗姆）IGBT选型指南（中文）

目录- Field Stop Trench IGBT Ignition IGBT

型号- RGSX5TS65HR,RGW50TS65,RGS30TSX2DHR,RGW50TK65,RGTH40TS65,RGC SERIES,RGW40TK65,RGWX5TS65HR,RGS60TS65DHR,RGW00TS65DHR,RGW40TS65,RGSX5TS65DHR,RGS30TSX2D,RGTH50TS65,RGT20TM65D,RGTH60TS65D,RGT8NS65D,RGW80TS65DHR,RGPR50NL45HRB,RGTH60TK65D,RGT40NL65D,RGTH40TK65,RGTH00TK65D,RGTH SERIES,RGT40TS65D,RGT30NS65D,RGW80TS65,RGTVX2TS65,RGW SERIES,RGT50TM65D,RGW80TK65,RGTV60TK65D,RGT16NL65D,RGW60TS65D,RGTV60TS65D,RGS50TSX2D,RGT50NS65D,RGTH,RGC80TSX8R,RGTV,RGW00TK65D,RGW60TK65D,RGCL SERIES,RGS SERIES,RGS30TSX2HR,RGS80TSX2HR,RGTH50TK65,RGW00TS65CHR,RGTH80TS65,RGT40TM65D,RGCL80TK60,RGS00TS65DHR,RGS30TSX2,RGTVX2TS65D,RGPR20BM36HR,RGW60TS65EHR,RGW00TS65D,RGT40NS65D,RGTH80TK65,RGCL80TS60,RGS80TSX2DHR,RGW80TS65CHR,RGTH80TS65D,RGPZ10BM40FH,RGCL,RGT20NL65D,RGTHD40TS65HR,RGS60TS65HR,RGWX5TS65EHR,RGTH80TK65D,RGS80TS65HR,RGT80TS65D,RGPZ30BM56HR,RGTH50TS65D,RGPR20NL43HR,RGW60TS65HR,RGW00TS65HR,RGW50TK65D,RGS80TS65DHR,RGS80TSX2,RGT50TS65D,RGW00TS65,RGSX5TS65E,RGW80TS65HR,RGT30NL65D,RGTVX6TS65,RGW80TK65E,RGW80TK65D,RGT30TM65D,RGW80TS65D,RGPR30NS40HR,RGS00TS65EHR,RGW60TS65DHR,RGWX5TS65D,RGW50TS65D,RGCL60TS60,RGT8TM65D,RGC,RGS50TSX2,RGPR10BM40FH,RGCL60TK60,RGTV80TK65,RGCL80TK60D,RGCL80TS60D,RGTV00TK65D,RGS50TSX2DHR,RGTV80TS65,RGTV00TS65D,RGT,RGT8BM65D,RGS,RGT20NL65,RGTH00TS65D,RGWX5TS65DHR,RGTV SERIES,RGTV00TK65,RGTV60TS65,RGW,RGWX5TS65,RGTV00TS65,RGCL60TK60D,RGT8NL65D,RGTH00TK65,RGTV60TK65,RGPR30BM40HR,RGTH60TK65,RGT60TS65D,RGT16NS65D,RGT SERIES,RGS50TSX2HR,RGT20NS65D,RGTVX6TS65D,RGW00TS65EHR,RGT00TS65D,RGTH40TS65D,RGS80TSX2D,RGSX5TS65EHR,RGTH40TK65D,RGPR20NS43HR,RGW60TS65CHR,RGW40TK65D,RGT50NL65D,RGW00TK65,RGW80TS65EHR,RGCL60TS60D,RGW40TS65D,RGS00TS65HR,RGTV80TS65D,RGTH50TK65D,RGTH60TS65,RGW60TS65,RGT16BM65D,RGT16TM65D,RGPR30BM56HR,RGW60TK65,RGTV80TK65D,RGTH00TS65

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ROHM（罗姆）IGBT选型指南（中文）

目录- 场截止沟槽型IGBT 点火IGBT

型号- RGW50TS65,RGS30TSX2DHR,RGW50TK65,RGTH40TS65,RGW40TK65,RGS60TS65DHR,RGW40TS65,RGS30TSX2D,RGTH50TS65,RGT20TM65D,RGTH60TS65D,RGT8NS65D,RGPR50NL45HRB,RGTH60TK65D,RGT40NL65D,RGTH40TK65,RGTH00TK65D,RGT40TS65D,RGT30NS65D,RGW80TS65,RGTVX2TS65,RGT50TM65D,RGW80TK65,RGTV60TK65D,RGT16NL65D,RGW60TS65D,RGTV60TS65D,RGS50TSX2D,RGT50NS65D,RGC80TSX8R,RGW00TK65D,RGW60TK65D,RGS30TSX2HR,RGS80TSX2HR,RGTH50TK65,RGTH80TS65,RGT40TM65D,RGCL80TK60,RGS00TS65DHR,RGS30TSX2,RGTVX2TS65D,RGPR20BM36HR,RGW00TS65D,RGT40NS65D,RGTH80TK65,RGCL80TS60,RGS80TSX2DHR,RGTH80TS65D,RGPZ10BM40FH,RGT20NL65D,RGS60TS65HR,RGTH80TK65D,RGS80TS65HR,RGT80TS65D,RGPZ30BM56HR,RGTH50TS65D,RGPR20NL43HR,RGW50TK65D,RGS80TS65DHR,RGS80TSX2,RGT50TS65D,RGW00TS65,RGT30NL65D,RGTVX6TS65,RGW80TK65E,RGW80TK65D,RGT30TM65D,RGW80TS65D,RGPR30NS40HR,RGS00TS65EHR,RGWX5TS65D,RGW50TS65D,RGCL60TS60,RGT8TM65D,RGS50TSX2,RGPR10BM40FH,RGCL60TK60,RGTV80TK65,RGCL80TK60D,RGCL80TS60D,RGTV00TK65D,RGS50TSX2DHR,RGTV80TS65,RGTV00TS65D,RGT8BM65D,RGT20NL65,RGTH00TS65D,RGTV00TK65,RGTV60TS65,RGWX5TS65,RGTV00TS65,RGCL60TK60D,RGT8NL65D,RGTH00TK65,RGTV60TK65,RGPR30BM40HR,RGTH60TK65,RGT60TS65D,RGT16NS65D,RGS50TSX2HR,RGT20NS65D,RGTVX6TS65D,RGT00TS65D,RGTH40TS65D,RGS80TSX2D,RGTH40TK65D,RGPR20NS43HR,RGW40TK65D,RGT50NL65D,RGW00TK65,RGCL60TS60D,RGW40TS65D,RGS00TS65HR,RGTV80TS65D,RGTH50TK65D,RGTH60TS65,RGW60TS65,RGT16BM65D,RGT16TM65D,RGPR30BM56HR,RGW60TK65,RGTV80TK65D,RGTH00TS65

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型号- RGE80TS65DGC13

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