IGBT模块内部通常包括IGBT芯片和反并联二极管芯片两种半导体硅芯片；而在实际应用中，在一个功率模块里往往将数个IGBT与二极管硅芯片集成在一起构成具备独立功能的电路，如单相或多相桥臂的换流电路IGBT。因此其功耗是由上述几个部分组合而成。

（1）通态功耗的计算

单个周期IGBT单元的通态平均功耗PSAT可以计为

式，Ic为集电极电流；Uce（sat）为器件的饱和压降［23］。

根据集－射极电压饱和特性曲线（见图1－3）得到的通态电阻Rce改写为

式中，Uce0是IGBT的阈值电压，可以根据器件特性曲线得到。

图1－3 ABB 5SNA 1500E330300的Uce（sat）－Ic特性曲线［24

同样，可以由二极管通态电阻RD，阈值电压UDo、流经电流ID和结温得到二极管通态损耗

可知，开关器件的通态损耗主要由器件特性、通过的电流和结温所共同决定。

考虑到IGBT通常工作在PWM（脉冲宽度调制）状态，在器件的占空比为d时，其近似通损耗可以简化为

（2）开关损耗计算

IGBT出现开关损耗的原因是因为在其开通和关断瞬间电流和电压存在重叠期。多年来大量文章对开关损耗进行了讨论，这里不再赘述。通过精确的计算，可以通过测量开关过程中Uce和Ic的波形，对其进行积分（积分时间分别是开通周期Ton或关断周期Toff）进行IGBT的工作过程如图1－4所示。

图1－4 IGBT的工作过程

a）开通过程 b）关断过程

（3）开通损耗和关断损耗

开通损耗为

关断损耗为

在一个周期中，IGBT自身的开关损耗是开通与关断过程所损耗能量之和。而IGBT平均开关损耗可以将单位脉冲开关损耗与开关频率fpwm相乘后得到，即

实际上由于厂家在器件说明书中都会有如图1－5所示的损耗———集电极电流特性曲线因此完全可以通过该曲线来对损耗进行估算。此时可通过实际工作电流查出每次开通和关断所消耗的能量Eon、Eoff来计算IGBT的平均开关损耗：

(www.daowen.com)

而IGBT自身的总损耗是通态损耗和开关损耗之和，即

图1－5 典型开关能量与各电流的关系

a）典型开关能量与集电极电流的关系 b）典型反向特性与正向电流的关系

注：ABB 5SNA 1500E330300，额定电压3300 V，额定电流1500 A

注意到实际工作点与数据表给出的测试条件存在的差异，在采用PWM状态下可以用线性化的方法加以近似，此时IGBT导通损耗和开关损耗分别可表示为

中，m为输出电流的调制比；φ为输出信号电压与电流之间的相位差。

对于与其并联的二极管，作为其固有特性的反向恢复，即在IGBT由正向导通转为反向阻断瞬间所出现的通过反向电流然后再恢复反向阻断的现象同样会消耗一定的能量Erec。在忽略其开通损耗的条件下，其关断损耗可以利用二极管反向恢复所消耗的能量Erec，表示为

式中，ICN、UEN分别为额定电流与额定电压。

相应的二极管通态损耗可以写为

综上所述，整个IGBT的损耗可以记为

英飞凌在其网站给出了一个器件在输出电流为正弦时各部分损耗特性（见图1－6），可以作为参考。

图1－6 IGBT功耗与相电流的关系

文献［25］对厦门柔性直流系统拟采用的ABB HiPak 5SNA 1500E330305IGBT模块损耗的进行了仿真计算，见表1－2。计算结果表明，该模块在逆变工况时损耗高达4648.4W，其中IGBT损耗达到3990.3 W，占换流器损耗的85.84％，其中下臂单个IGBT的功耗就达3370 W（注意占到整个模块功耗的72.5％，相应的结温高达128.4℃，对于结温限定为150℃以下的器件，必须注意其散热问题）。而在整流工况时，二极管的损耗2813.1 W达整个损耗3734.1 W的75.33％。其中下臂二极管的功耗占整个损耗的63.74％。所以该模块下臂器件的冷却应当加以充分的关注，比如将下臂对应的器件安装在水冷板的进水侧。

表1－2 损耗与结温［25

文献［26］给出了另一个用于柔性直流系统，采用5SNA1200E250100器件构成的两电平换流器损耗的计算例，见表1－3。可以看出IGBT总损耗占换流器损耗的近80％，而由于开关频率较低所以IGBT开关损耗与通态损耗的值几乎相等，这与常规变流器有相当大的不同。

而在输送75MW有功功率时，阀体损耗高达0.944MW，即1.26％；而且上述损耗均将变成热能，不可避免地导致阀体温度的上升，所以对运行可靠性的影响也是一个不可忽略的因素。由于两者计算的条件和对象不同，所以结果也有一定差异，但从不同侧面反映了IGBT模块工作时的特性，为系统设计提供了重要的参考。

表1－3 额定状态下IGBT换流器损耗［26