常用逆變器功率器件及選擇

admin @ 2014-03-19 , reply:0

概述
 逆變器的主功率元件的選擇至關重要,常用的功率元件有達林頓功率晶體管(GTR),功率場效應管(MOSFET),絕緣柵晶體管(IGBT)和可關斷晶閘管(GTO)等。功率器件的分類:一.GTR電……

 逆變器的主功率元件的選擇至關重要,常用的功率元件有達林頓功率晶體管(GTR),功率場效應管(MOSFET),絕緣柵晶體管(IGBT)和可關斷晶閘管(GTO)等。

功率器件的分類:
一.GTR電力晶體管(Giant Transistor):
GTR功率晶體管即雙極型晶體管(bipolar transistor),所謂雙極型是指其電流由電子和空穴兩種載流子形成的。一般採用達林頓複合結構。它的優點是:高電流密度和低飽和電壓。它的缺點即MOSFET的優點(見下)。
 二.MOSFET功率場效應模塊(金屬氧化物場效應管):
(1)功率MOSFET的優點是:
1) 開關速度快:功率MOSFET又稱VDMOS,是一種多子導電器件,參加導電的是多數載流子,沒有少子存儲現象,所以無固有存儲時間,其開關速度僅取決於極間寄生電容,故開關時間極短(小於50-100ns),因而具有更高的工作頻率(可達100KHz以上)。
2) 驅動功率小:功率MOSFET是一種電壓型控制器件,即通斷均由柵極電壓控制。完全開通一個功率MOSFET僅需要10-20毫微秒庫侖的電荷,例如一個1安培、10毫微秒寬的方波脈衝,完全開通一個功率MOSFET僅需要10毫微秒的時間。另外還需注意的是在特定的下降時間內關斷器件無需負柵脈衝。由於柵極與器件主體是電隔離的,因此功率增益高,所需要的驅動功率很小,驅動電路簡單。
3) 安全工作區域(SOA)寬:功率MOSFET無二次擊穿現象,因此其SOA較同功率的GTR雙極性晶體管大,且更穩定耐用,工作可靠性高。
3) 過載能力強:功率MOSFET開啟電壓(閥值電壓)一般為2-6v,因此具有很高的雜訊容限和抗干擾能力。
4) 並聯容易:功率MOSFET的通態電阻具有正穩定係數(即通態電阻隨結溫升高而增加),因而在多管並聯時易於均流,對擴大整機容量有利。
5) 功率MOSFET具有較好的線性,且對溫度不敏感。因此開環增益高,放大器級數相對可減少。
6) 器件參數一致性較好,批量生產離散率低。
功率MOSFET的缺點:導通電阻大,且隨溫度升高而增大。
⑵ 功率MOSFET的主要參數特性:
① 漏源擊穿電壓(V) V(BR)DSS :是在UGS =0時漏極和源極所能承受的最大電壓,它是結溫的正溫度係數函數。
② 漏極額定電流ID :ID 是流過漏極的最大的連續電流,它主要受器件工作溫度的限制。一般生產廠家給出的漏極額定電流是器件外殼溫度Tc=25℃時的值,所以在選擇器件時要考慮充分的裕度,防止在器件溫度升高時漏極額定電流降低而損壞器件。
③ 通態電阻RDS(ON) :它是功率MOSFET導通時漏源電壓與漏極電流的比率,它直接決定漏極電流。當功率MOSFET導通時,漏極電流流過通態電阻產生耗散功率,通態電阻值愈大,耗散功率愈大,越容易損壞器件。另外,通態電阻與柵極驅動電壓UGS有關,UGS 愈高,RDS(ON) 愈小,而且柵源電壓過低,抗干擾能力差,容易誤關斷;但過高的柵極電壓會延緩開通和關斷的充放電時間,即影響器件的開關特性。所以綜合考慮,一般取UGS =12-15V為宜。
手冊中給出的RDS(ON) 是指器件溫度為25℃時的數值,實際上器件溫度每升高1℃,RDS(ON) 將增大0.7%,為正溫度係數。
④ 最大耗散功率PD (W):是器件所能承受的最大發熱功率(器件溫度為25℃時)。
⑤ 熱阻RΘjc (℃/W):是結溫和外殼溫度差值相對於漏極電流所產生的熱功率的比率。其中:θ-表示溫度,J-表示結溫,C-表示外殼。
⑥ 輸入電容(包括柵漏極間電容CGD和柵源極間電容CGS) :在驅動MOSFET中輸入電容是一個非常重要的參數,必須通過對其充放電才能開關MOSFET,所以驅動電路的輸出阻抗將嚴重影響MOSFET的開關速度。輸出阻抗愈小,驅動電路對輸入電容的充放電速度就越快,開關速度也就越快。溫度對輸入電容幾乎沒有影響,所以溫度對器件開關速度影響很小。柵漏極間電容CGD 是跨接在輸出和輸入迴路之間,所以稱為米勒電容。
⑦ 柵極驅動電壓UGS :如果柵源電壓超過20v,即使電流被限於很小值,柵源之間的硅氧化層仍很容易被擊穿,這是器件損壞的最常見原因之一,因此,應該注意使柵源電壓不得超過額定值。還應始終記住,即使所加柵極電壓保持低於柵-源間最大額定電壓,柵極連續的寄生電感和柵極電容耦合也會產生使氧化層損壞的振蕩電壓。通過柵漏自身電容,還可把漏極電路瞬變造成的過電壓耦合過來。鑒於上述原因,應在柵-源間跨接一個齊納穩壓二極體,以對柵極電壓提供可靠的嵌位。通常還採用一個小電阻或鐵氧體來抑制不希望的振蕩。
⑧ MOSFET的截止,不需要象雙極晶體管那樣,對驅動電路進行精心設計(如在柵極加負壓)。因為MOSFET是多數載流子半導體器件,只要把加在柵極-源極之間的電壓一撤消(即降到0v),它馬上就會截止。(見參(2) P70)
⑨ 在工藝設計中,應盡量減小與MOSFET各管腳連線的長度,特別是柵極連線的長度。如果實在無法減小其長度,可以用鐵氧體小磁環或一個小電阻和MOSFET的柵極串接起來,這兩個元件盡量靠近MOSFET的柵極。最好在柵極和源極之間再接一個10K的電阻,以防柵極迴路不慎斷開而燒毀MOSFET。
功率MOSFET內含一個與溝道平行的反向二極體,又稱“體二極體”。?
注意:這個二極體的反向恢復時間長達幾us到幾十us,其高頻開關特性遠不如功率MOSFET本身,使之在高頻下的某些場合成了累贅。
 三.IGBT(Isolated Gate Bipolar Transistor) 絕緣門極雙極型晶體管:
通態電阻RDS(ON) 大是MOSFET的一大缺點,如在其漂移區中注入少子,引入大注入效應,產生電導調製,使其特徵阻抗大幅度下降,這就是IGBT。在同等耐壓條件下,IGBT的導通電阻只有MOSFET的1/10--1/30,,電流密度提高了10-20倍。但是引入了少子效應,形成兩種載流子同時運行,使工作頻率下降了許多。IGBT是MOSFET和GTR雙極性晶體管的折衷器件,結構上和MOSFET很相似,但其工作原理更接近GTR,所以IGBT相當一個N溝道MOSFET驅動的PNP晶體管。特點:它將MOSFET和GTR的優點集於一身,既具有MOSFET輸入阻抗高、速度快、熱穩定性好和驅動電路簡單的優點,又有GTR通態電壓低、耐壓高的優點。


逆變器功率器件的選擇:
在小容量低壓系統中使用較多的器件為MOSFET,因為MOSFET具有較低的通態壓降和較高的開關頻率; 在高壓中容量系統中一般均採用IGBT模塊,這是因為MOSFET隨著電壓的升高其通態電阻也隨之增大,而IGBT在中容量系統中佔有較大的優勢;而在特大容量(100KVA以上)系統中,一般均採用GTO作為功率元件。

  




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