IGBT的開關頻率上限有多高?-

作者:青島佳恩半導體有限公司  來源/微信公眾號:JNsemi  發布日期:2019-10-26

IGBT是個功率器件,它的開關頻率上限并不是一個確定的值。我一般都是這幺回答這個問題的:首先,開關頻率是指IGBT在一秒鐘內開關次數。而在確定的母線電壓和導通電流下,IGBT每次開關都會產生一定的損耗,開通損耗是Eon,關斷損耗是Eoff,還有二極管反向恢復也有損耗Erec。IGBT的開關頻率越高,開關次數就越多,損耗功率就也高,那乘以散熱器的熱阻后,IGBT的溫升也越高,如果溫度高到超出了IGBT的上限,那IGBT就失效了。具體你們可以看我之前發的關于IGBT熱設計的文章。但是損耗是和電壓電流成正比的,如下圖所示。所以假如用一個很大標稱電流的IGBT工作在一個小的電流下,那這個大IGBT的開關損耗功率和導通損耗功率就都會減小,那幺這個大IGBT就更有可能用在更高的開關頻率。很多新手有個誤區,他們原話是這幺說的,“小管子發熱小,大管子發熱大,你看那大IGBT模塊發熱功率都上千瓦,那分離IGBT芯片才幾瓦。。。”其實他剛好說反了,在同一個電壓等級下同樣技術的芯片,標稱電流越大的說明導通電阻越小,因此才能通更大的電流啊。總而言之,IGBT的開關頻率最高到多少,取決于在此工況下IGBT的結溫會不會超上限。只要你有錢,巴菲特都能陪你吃飯,所以只要不惜成本3300V也能工作在50kHz硬開關。。。你不信?有圖有真相。所以說別再問我IGBT最高的最高開關頻率了,只要你有錢,隨便超頻。雖然有錢可以為所欲為,但是違反物理極限的事情還是有錢也做不到的。那什幺是物理極限呢?那就是IGBT的開關速度。剛才說了開關頻率是IGBT在一秒內開關的次數,而且IGBT每個開關周期里還有占空比,比如說1kHz開關頻率,50%占空比,那控制型號發出的方波從開通到關斷的時間就是0.5毫秒。如下圖。但是你以為你發了0.5毫秒的方波,IGBT就能同步開0.5毫秒?不能,IGBT很遲緩,一般同等技術水平下的IGBT芯片,標稱電壓越高的IGBT越遲緩。這個遲緩時間就是開關延遲,定義方法如下圖。一般都是關斷延遲比開通延遲長,所以一個半橋上下橋臂的IGBT在開關狀態切換時,需要一個死區時間,就是上下兩個IGBT同時處于關斷狀態。否則就會出現上下橋臂直通短路的情況。死區時間主要取決于關斷延遲比開通延遲長了多少(當然還要有冗余)。一般常見的3300V IGBT的死區時間都在10us以上。以上文中的例子,50kHz對應一個周期是20us,假設是半橋DCDC,占空比50%,那一次開通時間只有10us,再減去10us死區時間,這個IGBT就不用開通了,只能永遠保持關斷狀態。因此這就是IGBT的物理極限,關斷延遲和死區時間導致的頻率極限。但是這個極限比實際應用的開關頻率高出很多,因此平時并沒有意義去討論這個問題,除非你真的要用3300V的IGBT工作在50kHz。(在大部分實際應用中3300V的IGBT開關頻率都是1kHz左右,超過2kHz就非常少見了。)最后我們在舉一個實際中會碰到的有參考價值的例子。例如高速電機的應用,假設電機額定轉速在10萬轉以上,一對極,折算成電機驅動頻率約為2000Hz,逆變器直流母線電壓600V,額定扭矩對應的線電流有效值約為30A,水冷散熱器。在高速電機應用中,大部分是無刷直流的控制方法,但有寫特殊場合為了保證控制精度和扭矩穩定性,需要采用SVPWM的控制方法,這時就需要逆變器有很高的開關頻率了,而且開關頻率越高,紋波越小,電機的扭矩就約平穩,我們假設開關頻率要不低于30kHz。現在我們開始選型,根據逆變器的體積和成本考慮,我們先初選FS75R12KT4和FS100R12KT4,標稱電流分別為75A和100A的兩款三相全橋IGBT模塊。這個封裝的IGBT模塊,水冷散熱器的典型熱阻為0.072K/W,進口水溫60°C。在散熱條件確定后,我們就可以開始仿真計算了。我們把結溫上限設為145度,留5度的安全余量。可以得到一個結溫在145度下,輸出電流和開關頻率的關系,如下圖所示。黑色是100A的模塊,紅色是75A模塊,在30~40kHz的頻率區間,100A的模塊能比75A的模塊多輸出約10A的電流有效值。在30A輸出電流下,100A模塊的開關頻率可以比75A模塊高15kHz以上。當然你可以選個更大的FS150R12KT4,工作到100kHz,不過這時候你就要考慮下1200V一般3us的死區時間可能會吃掉一半的PWM波,所以這時候頻率又被開關速度給限制了。所以回到我們的主題,IGBT的頻率可以有多高?雖然極限取決于死區時間,但是實際中主要還是取決于散熱和電流,不提散熱和電流張開就問開關頻率,這是許多小白司機常犯的錯誤。
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