IGBT的開關頻率最高到多少Hz？

波老師那個年代上大學都是自己攢機裝電腦，買CPU先問主頻多少Hz？后來買手機也是，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。

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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，那么這個大IGBT就更有可能用在更高的開關頻率。

很多新手有個誤區，他們原話是這么說的: “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。

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...請看下圖：

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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。那什么是物理極限呢？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）。

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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。把結溫上限設為145度，留5度的安全余量?？梢缘玫揭粋€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，這是許多新手的常見誤區。

審核編輯：劉清