IGBT的最佳開關時間

梁 銳 賀偉衡 鄧天軍

（廣東美的暖通設備有限公司，廣東 佛山 528311）

1 目的

明確有關IGBT開關特性的項目，通過仿真開關時間來尋求最佳開關方法，使損失降到最小，以提供高效率、高可靠性的變頻特性。

2 探討決定開關時間的方法

IGBT(Insulated Gate Bipollar Transistor)是MOSFE和雙極晶體管的組合的元件。

有關開關的性能和MOSFET(Metal Oxcide Semiconductor Field Effect Transistor)具有相同的原理，ON電壓（Vcesat)的值和雙極晶體管的傳導度調制現(xiàn)象一樣低。本論文是找出開關的最佳條件，所以和MOSFET的特性有關。

場效應晶體管（FET）只存在多數(shù)載流子，所以不像雙極晶體管那樣發(fā)生多數(shù)載流子和少數(shù)載流子的結合時間延遲，F(xiàn)ET動作時間上沒有延遲，也就是動作簡單通過計算來決定。門驅動電壓定為Vcc、門容量定為Cge、門電阻定為Rg、負荷電流Ia從二極管電流全部換流到極電極電流時的門電壓定為Vgeia、集電極電流為最大（Irrp）時的門電壓定為Vgep，這個差的集電極電流⊿Ic和門電壓的差⊿Vge的比為傳遞集電極Gfe，用1式來表示：

因為某個時間t的門電壓 Vge（t）為 Vgeia時，流過門的電流是充電門的容量的電流，所以得出2式：

變形2式，代入1式，得出3式：

所以，

因為這個式的Vgeia、Gfe、Cge是ICBT的固有值，所以開關時間是可以由門電壓Vcc和門電阻Rg來決定的。

3 開關時間和損失的關系探討

圖1 開關波形

根據(jù)門電阻可以變更開關速度，但怎樣決定最佳的開關速度，這需要探討。

圖1示出有關開關損失的晶體管電壓（Vce）、電流（Ic）和二極管電流。這次討論區(qū)間B和C的損失。這個區(qū)間的Vce為一定值，是整流電壓Vdc和二極管的正向電壓Vf的和的電壓。

把區(qū)間B的時間定為Tb、區(qū)間C的時間定為Trr1，區(qū)間B和C的損失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，損失都會增加，這意味著在某個值上有一個最小值。

這里重要的是二極管的逆恢復特性。Trr1是圖1藍色電流的區(qū)間，因為殘留有二極管的少數(shù)載流子，所以意味著是電流可以自由流動的時間，這是由二極管的物性決定的時間。圖1的綠色區(qū)間是指二極管完全Off，充電PN接合上出來的過渡層的電荷流過的區(qū)間。也就是說明Trr1是一定值，所以在6式中可變量是Tb。通過對6式進行偏微分計算，設置J值為零的點為極值。求出：

也就是從7式和5式知道在 Tb＝Trr1、Ia＝Irrp時，開關損失為最小。也就是：

在算式上展開上，得出最佳開關速度。

4 仿真探討

為了證明8式，讓d Ic/dt變化，對損失進行仿真。我們繼續(xù)使用 6 式，Vce+Vf定為 300V，Ia定為 1A、2A、3A、5A，Trr1 定為50nsec，載波頻率定為15kHz。計算方法為把Tb＝Ia/(d Ic/dt)代入6式，d Ic/dt放在x軸上，在J上乘以載波頻率后變換成損失 （瓦特）定為Y軸。

圖2

結果在圖2上示出。

從圖中我們可以知道 1A 在 20A/μsec，2A 在 40A/μsec，3A在60A/μsec，5A在100A/μsec的開關速度時，損失為最小。而這些開關速度的值全部是Ia/Trr1的值。

5 總結

這樣我們知道了IGBT的最佳開關速度可以通過額定電流和二極管的逆恢復時間的一部分Trr1的比來求出，用仿真也證明過。即使使用相同額定電流的IGBT，電機的額定電流不同時，也能得到最佳的開關速度。

市場上賣的IGBT普遍在IGBT的額定電流時把損耗設到最小。而變頻空調卻不是這樣，如額定電流15Arms的電機因為使用30A額定的IGBT，所以在空調的額定點上滿足不了最小的損耗。這一點需要我們在后期IGBT選型過程中多加注意，盡量達到最小的開關損失。