IGBT的開關(guān)頻率最高到多少Hz？

波老師那個年代上大學(xué)都是自己攢機(jī)裝電腦，買CPU先問主頻多少Hz？后來買手機(jī)也是，先看幾個核，再看主頻...所以估計大家都也差不多，都烙下病根兒了?？墒?a target="_blank">IGBT是個功率器件，它的開關(guān)頻率上限并不是一個確定的值。

我一般都是這么回答這個問題的：首先，開關(guān)頻率是指IGBT在一秒鐘內(nèi)開關(guān)次數(shù)。而在確定的母線電壓和導(dǎo)通電流下，IGBT每次開關(guān)都會產(chǎn)生一定的損耗，開通損耗是Eon，關(guān)斷損耗是Eoff，還有二極管反向恢復(fù)也有損耗Erec。

?

IGBT的開關(guān)頻率越高，開關(guān)次數(shù)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(fā)的關(guān)于IGBT熱設(shè)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(biāo)稱電流的IGBT工作在一個小的電流下，那這個大IGBT的開關(guān)損耗功率和導(dǎo)通損耗功率就都會減小，那么這個大IGBT就更有可能用在更高的開關(guān)頻率。

很多新手有個誤區(qū)，他們原話是這么說的: “小管子發(fā)熱小，大管子發(fā)熱大，你看那大IGBT模塊發(fā)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(shù)的芯片，標(biāo)稱電流越大的說明導(dǎo)通電阻越小，因此才能通更大的電流。

總而言之，IGBT的開關(guān)頻率最高到多少，取決于在此工況下IGBT的結(jié)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(guān)...請看下圖：

?

所以說別再問我IGBT最高的最高開關(guān)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。那什么是物理極限呢？那就是IGBT的開關(guān)速度。

剛才說了開關(guān)頻率是IGBT在一秒內(nèi)開關(guān)的次數(shù)，而且IGBT每個開關(guān)周期里還有占空比，比如說1kHz開關(guān)頻率，50%占空比，那控制型號發(fā)出的方波從開通到關(guān)斷的時間就是0.5毫秒。如下圖:



但是你以為你發(fā)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(shù)水平下的IGBT芯片，標(biāo)稱電壓越高的IGBT越遲緩。

這個遲緩時間就是開關(guān)延遲，定義方法如下圖：



一般都是關(guān)斷延遲比開通延遲長，所以一個半橋上下橋臂的IGBT在開關(guān)狀態(tài)切換時，需要一個死區(qū)時間，就是上下兩個IGBT同時處于關(guān)斷狀態(tài)。否則就會出現(xiàn)上下橋臂直通短路的情況。

死區(qū)時間主要取決于關(guān)斷延遲比開通延遲長了多少（當(dāng)然還要有冗余）。

?

一般常見的3300V IGBT的死區(qū)時間都在10us以上。以上文中的例子，50kHz對應(yīng)一個周期是20us，假設(shè)是半橋DCDC，占空比50%，那一次開通時間只有10us，再減去10us死區(qū)時間，這個IGBT就不用開通了，只能永遠(yuǎn)保持關(guān)斷狀態(tài)。

因此這就是IGBT的物理極限，關(guān)斷延遲和死區(qū)時間導(dǎo)致的頻率極限。但是這個極限比實際應(yīng)用的開關(guān)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(yīng)用中3300V的IGBT開關(guān)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(jī)的應(yīng)用，假設(shè)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速在10萬轉(zhuǎn)以上，一對極，折算成電機(jī)驅(qū)動頻率約為2000Hz，逆變器直流母線電壓600V，額定扭矩對應(yīng)的線電流有效值約為30A，水冷散熱器。

在高速電機(jī)應(yīng)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(wěn)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(guān)頻率了，而且開關(guān)頻率越高，紋波越小，電機(jī)的扭矩就約平穩(wěn)，我們假設(shè)開關(guān)頻率要不低于30kHz。

現(xiàn)在我們開始選型，根據(jù)逆變器的體積和成本考慮，我們先初選FS75R12KT4和FS100R12KT4，標(biāo)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(jìn)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。把結(jié)溫上限設(shè)為145度，留5度的安全余量?？梢缘玫揭粋€結(jié)溫在145度下，輸出電流和開關(guān)頻率的關(guān)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(qū)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(guān)頻率可以比75A模塊高15kHz以上。當(dāng)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(qū)時間可能會吃掉一半的PWM波，所以這時候頻率又被開關(guān)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(qū)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(guān)頻率，這是許多新手的常見誤區(qū)。

審核編輯：劉清