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IGBT的开关频率上限有多高?

关键词:IGBT 二极管 开关频率

时间:2019-09-20 14:23:16?????? 来源:网络

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。

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。

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