IGBT的最佳开关时间

梁 锐 贺伟衡 邓天军

（广东美的暖通设备有限公司，广东 佛山 528311）

1 目的

明确有关IGBT开关特性的项目，通过仿真开关时间来寻求最佳开关方法，使损失降到最小，以提供高效率、高可靠性的变频特性。

2 探讨决定开关时间的方法

IGBT(Insulated Gate Bipollar Transistor)是MOSFE和双极晶体管的组合的元件。

有关开关的性能和MOSFET(Metal Oxcide Semiconductor Field Effect Transistor)具有相同的原理，ON电压（Vcesat)的值和双极晶体管的传导度调制现象一样低。本论文是找出开关的最佳条件，所以和MOSFET的特性有关。

场效应晶体管（FET）只存在多数载流子，所以不像双极晶体管那样发生多数载流子和少数载流子的结合时间延迟，FET动作时间上没有延迟，也就是动作简单通过计算来决定。门驱动电压定为Vcc、门容量定为Cge、门电阻定为Rg、负荷电流Ia从二极管电流全部换流到极电极电流时的门电压定为Vgeia、集电极电流为最大（Irrp）时的门电压定为Vgep，这个差的集电极电流⊿Ic和门电压的差⊿Vge的比为传递集电极Gfe，用1式来表示：

因为某个时间t的门电压 Vge（t）为 Vgeia时，流过门的电流是充电门的容量的电流，所以得出2式：

变形2式，代入1式，得出3式：

所以，

因为这个式的Vgeia、Gfe、Cge是ICBT的固有值，所以开关时间是可以由门电压Vcc和门电阻Rg来决定的。

3 开关时间和损失的关系探讨

图1 开关波形

根据门电阻可以变更开关速度，但怎样决定最佳的开关速度，这需要探讨。

图1示出有关开关损失的晶体管电压（Vce）、电流（Ic）和二极管电流。这次讨论区间B和C的损失。这个区间的Vce为一定值，是整流电压Vdc和二极管的正向电压Vf的和的电压。

把区间B的时间定为Tb、区间C的时间定为Trr1，区间B和C的损失J得出下式：

把5式代入4式得出6式：

4式的Tb不管大或小，损失都会增加，这意味着在某个值上有一个最小值。

这里重要的是二极管的逆恢复特性。Trr1是图1蓝色电流的区间，因为残留有二极管的少数载流子，所以意味着是电流可以自由流动的时间，这是由二极管的物性决定的时间。图1的绿色区间是指二极管完全Off，充电PN接合上出来的过渡层的电荷流过的区间。也就是说明Trr1是一定值，所以在6式中可变量是Tb。通过对6式进行偏微分计算，设置J值为零的点为极值。求出：

也就是从7式和5式知道在 Tb＝Trr1、Ia＝Irrp时，开关损失为最小。也就是：

在算式上展开上，得出最佳开关速度。

4 仿真探讨

为了证明8式，让d Ic/dt变化，对损失进行仿真。我们继续使用 6 式，Vce+Vf定为 300V，Ia定为 1A、2A、3A、5A，Trr1 定为50nsec，载波频率定为15kHz。计算方法为把Tb＝Ia/(d Ic/dt)代入6式，d Ic/dt放在x轴上，在J上乘以载波频率后变换成损失 （瓦特）定为Y轴。

图2

结果在图2上示出。

从图中我们可以知道 1A 在 20A/μsec，2A 在 40A/μsec，3A在60A/μsec，5A在100A/μsec的开关速度时，损失为最小。而这些开关速度的值全部是Ia/Trr1的值。

5 总结

这样我们知道了IGBT的最佳开关速度可以通过额定电流和二极管的逆恢复时间的一部分Trr1的比来求出，用仿真也证明过。即使使用相同额定电流的IGBT，电机的额定电流不同时，也能得到最佳的开关速度。

市场上卖的IGBT普遍在IGBT的额定电流时把损耗设到最小。而变频空调却不是这样，如额定电流15Arms的电机因为使用30A额定的IGBT，所以在空调的额定点上满足不了最小的损耗。这一点需要我们在后期IGBT选型过程中多加注意，尽量达到最小的开关损失。