别再问IGBT的开关频率上限了
2019-09-17
波老师那个年代上大学都是自己攒机装电脑，买CPU先问主频多少Hz？后来买手机也是，先看几个核，再看主频。。。所以估计大家都也差不多，都烙下病根儿了。
可是IGBT是个功率器件，它的开关频率上限并不是一个确定的值。
我一般都是这么回答这个问题的：
首先，开关频率是指IGBT在一秒钟内开关次数。而在确定的母线电压和导通电流下，IGBT每次开关都会产生一定的损耗，开通损耗是Eon，关断损耗是Eoff，还有二极管反向恢复也有损耗Erec。
IGBT的开关频率越高，开关次数就越多，损耗功率就也高，那乘以散热器的热阻后，IGBT的温升也越高，如果温度高到超出了IGBT的上限，那IGBT就失效了。具体你们可以看我之前发的关于IGBT热设计的文章。
但是损耗是和电压电流成正比的，如下图所示。
所以假如用一个很大标称电流的IGBT工作在一个小的电流下，那这个大IGBT的开关损耗功率和导通损耗功率就都会减小，那么这个大IGBT就更有可能用在更高的开关频率。
很多新手有个误区，他们原话是这么说的，“小管子发热小，大管子发热大，你看那大IGBT模块发热功率都上千瓦，那分离IGBT芯片才几瓦。。。”
其实他刚好说反了，在同一个电压等级下同样技术的芯片，标称电流越大的说明导通电阻越小，因此才能通更大的电流啊。
总而言之，IGBT的开关频率最高到多少，取决于在此工况下IGBT的结温会不会超上限。只要你有钱，巴菲特都能陪你吃饭，所以只要不惜成本3300V也能工作在50kHz硬开关。。。你不信？有图有真相。
顺便介绍个IPOSIM的新功能，点击阅读原文可以直接跳转到IPOSIM刚才截图那个工况的仿真结果。
所以说别再问我IGBT最高的最高开关频率了，只要你有钱，随便超频。
虽然有钱可以为所欲为，但是违反物理极限的事情还是有钱也做不到的。那什么是物理极限呢？那就是IGBT的开关速度。
刚才说了开关频率是IGBT在一秒内开关的次数，而且IGBT每个开关周期里还有占空比，比如说1kHz开关频率，50%占空比，那控制型号发出的方波从开通到关断的时间就是0.5毫秒。如下图。
但是你以为你发了0.5毫秒的方波，IGBT就能同步开0.5毫秒？不能，IGBT很迟缓，一般同等技术水平下的IGBT芯片，标称电压越高的IGBT越迟缓。
这个迟缓时间就是开关延迟，定义方法如下图。
一般都是关断延迟比开通延迟长，所以一个半桥上下桥臂的IGBT在开关状态切换时，需要一个死区时间，就是上下两个IGBT同时处于关断状态。否则就会出现上下桥臂直通短路的情况。
死区时间主要取决于关断延迟比开通延迟长了多少（当然还要有冗余）。
一般常见的3300V IGBT的死区时间都在10us以上。
以上文中的例子，50kHz对应一个周期是20us，假设是半桥DCDC，占空比50%，那一次开通时间只有10us，再减去10us死区时间，这个IGBT就不用开通了，只能永远保持关断状态。
因此这就是IGBT的物理极限，关断延迟和死区时间导致的频率极限。但是这个极限比实际应用的开关频率高出很多，因此平时并没有意义去讨论这个问题，除非你真的要用3300V的IGBT工作在50kHz。（在大部分实际应用中3300V的IGBT开关频率都是1kHz左右，超过2kHz就非常少见了。）
最后我们在举一个实际中会碰到的有参考价值的例子。
例如高速电机的应用，假设电机额定转速在10万转以上，一对极，折算成电机驱动频率约为2000Hz，逆变器直流母线电压600V，额定扭矩对应的线电流有效值约为30A，水冷散热器。
在高速电机应用中，大部分是无刷直流的控制方法，但有写特殊场合为了保证控制精度和扭矩稳定性，需要采用SVPWM的控制方法，这时就需要逆变器有很高的开关频率了，而且开关频率越高，纹波越小，电机的扭矩就约平稳，我们假设开关频率要不低于30kHz。
现在我们开始选型，根据逆变器的体积和成本考虑，我们先初选FS75R12KT4和FS100R12KT4，标称电流分别为75A和100A的两款三相全桥IGBT模块。
这个封装的IGBT模块，水冷散热器的典型热阻为0.072K/W，进口水温60°C。在散热条件确定后，我们就可以开始仿真计算了。
我们把结温上限设为145度，留5度的安全余量。
可以得到一个结温在145度下，输出电流和开关频率的关系，如下图所示。
黑色是100A的模块，红色是75A模块，在30~40kHz的频率区间，100A的模块能比75A的模块多输出约10A的电流有效值。在30A输出电流下，100A模块的开关频率可以比75A模块高15kHz以上。当然你可以选个更大的FS150R12KT4，工作到100kHz，不过这时候你就要考虑下1200V一般3us的死区时间可能会吃掉一半的PWM波，所以这时候频率又被开关速度给限制了。
所以回到我们的主题，IGBT的频率可以有多高？虽然极限取决于死区时间，但是实际中主要还是取决于散热和电流，不提散热和电流张开就问开关频率，这是许多小白司机常犯的错误。
希望这篇文章能帮助到你。
