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）只存在多數載流子，所以不像雙極晶體管那樣發生多數載流子和少數載流子的結合時間延遲，FET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。這次討論區間B和C的損失。這個區間的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。

把區間B的時間定為Tb、區間C的時間定為Trr1，區間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藍色電流的區間，因為殘留有二極管的少數載流子，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。