IGBT和二极管不同功率因数的热分配

IGBT和二极管不同功率因数的热分配

负载功率因数=1时

负载功率因数=1，IGBT和二极管的热分配：

当功率=1时，意味着负载表现为纯电阻特性，以右图为例，电压与电流的相位差为0度。

我们知道，如果此时开关IGBT，由于负载为阻性，

IGBT关断后，二极管是不存在续流过程的，因为负载电流马上就断了，二极管完全没有续流过程，二极管的导通损耗为0（理想情况下）。

结论：所有的负载电流都流过IGBT，二极管没有承担电流，所以在这种情况下，IGBT的导通损耗最大，二极管的导通损耗极小。

负载功率因数=-1时

负载功率因数=-1，IGBT和二极管的热分配：

当功率=-1时，意味着负载向电源回馈纯有功功率，以下图为例，电压与电流的相位差为180度。

在下图中，Iab在整个Uab为负的区间内只流过a桥臂下管的二极管，该IGBT虽然有开通和关断行为，但是电流只穿过续流二极管。因此，在这种工况中，IGBT是不导通电流的，全部是二极管承载电流。

结论：所有的负载电流都流过二极管，IGBT没有承担电流，所以在这种情况下，二极管的导通损耗最大，IGBT的导通损耗极小。

从电压电流相位观察IGBT与二极管的电流分配情况：

从上面两个例子可以看出一些规律：

1. 当电压与电流波形同相时，有功能量从电源流向负载，IGBT承载电流；

2. 当电压与电流波形反相时，有功能量从负载流向电源，二极管承载电流；

下图可以得到一些信息：

黄色部分是有功能量流向负载，IGBT承载电流；

绿色部分是有功能量流向电源，二极管承载电流；

以下图为例，黄色部分对应的角度为135°，绿色部分为45°，所以IGBT承载电流的时间是二极管的3倍。

负载功率因数=0时

功率因数=0：

从上一页分析可知，当功率因数=0时，IGBT和二极管分别有50%的时间承载电流，会比较平均。

下图中黄色和绿色的时间是相等的，黄色部分为二极管承载电流，绿色部分为IGBT承载电流。

不同功率因数时损耗的分布

以下表格是某厂家的仿真软件的计算结果，以300A，1200V的IGBT为例，输出电流为某一具体数值，应用为三相正弦波逆变，只调整功率因数，其他条件不变，分别得到三组结果。可见：

1. cosφ=1，IGBT的导通损耗较高，二极管导通损耗较低；

2. cosφ=-1，二极管的导通损耗较高，IGBT导通损耗较低；

3. cosφ=0，二极管及IGBT的导通损耗比较平均；

四象限变流器的分析

下图为四象限变流器，拖动电机，整流侧的负载为电网，电网的功率因数为-1，根据之前分析的理论，整流侧的二极管承载了大部分电流，导通损耗是比较高的，因此这些二极管的发热也会比较严重，所以一般用于整流侧的IGBT的续流二极管的容量需要扩大些。

电力电子应用中，功率器件的热应力与负载的功率因数是有较大关系的，因为IGBT模块中，IGBT芯片与二极管芯片是分开的，两者对电流的承载不同会导致其发热不同。

在各种应用中，功率因数是不尽相同的，所以了解清楚其中的规律对设计者有较大的帮助。