變流器的器件MOSFET和IGBT介紹

admin @ 2014-03-19 , reply:0

變流器的器件MOSFET和IGBT介紹
 變流器的器件MOSFET和IGBT介紹


MOSFETIGBT是當前變流器中應用最廣泛,最重要的兩類核心器件。MOSFET主要應用在低壓和中壓(中小功率),IGBT主要應用在高壓和中壓(大功率)領域。


首先來說MOSFET


提一個基礎性問題:驅動MOSFET導通的最佳柵電壓是多少伏?


絕大多數人的回答是:15V。這個答案不能說錯,但是,這活幹得太粗。


MOSFET的導通電阻是隨柵電壓的提高而下降,當柵電壓達到一定值時,導通電阻就基本不會再降了,暫且稱之為“充分導通”,一般認為這個電壓是低於15V的。


實際上,不同耐壓的MOSFET達到充分導通的柵電壓是不同的。基本規律是:耐壓越高的MOSFET,達到充分導通的柵電壓越低;耐壓越低的MOSFET,達到充分導通的柵電壓越高。我查閱了各種耐壓MOSFET的VGS-RDS曲線,得到的結論是:耐壓200V的MOSFET達到充分導通的柵電壓>16V;耐壓500V的MOSFET達到充分導通的柵電壓>12V;耐壓1000V的MOSFET達到充分導通的柵電壓>8V。因此,建議:耐壓200V及以下的MOSFET柵驅動電壓=17-18V;耐壓500V的MOSFET柵驅動電壓=15V;耐壓1000V的MOSFET柵驅動電壓=12V。


說了MOSFET的驅動電壓,再來說說IGBT的驅動電壓,IGBT的驅動電壓為15±1.5V,與IGBT的耐壓無關。驅動電壓低於13.5V,IGBT的飽和壓降會明顯增高;高於16.5V,既沒有必要,還可能帶來不利的影響。


再談IGBT


某些用IGBT作為主功率器件的變流器,IGBT的輸出直接與外部負載連接,例如驅動電機調速的變頻器,司服系統等等。一旦負載短路,就會造成IGBT極為嚴重的過流,此時IGBT會有多大的電流呢?大約是IGBT額定電流的幾倍到十幾倍,過流的嚴重程度與IGBT的柵驅動電壓相關,即,當IGBT的驅動電壓在14V以下時,其短路電流就較小,約是其額定電流的幾倍;當IGBT的驅動電壓在16V以上時,其短路電流就很大,約是其額定電流的十幾倍,顯然,這麼大的短路電流,對IGBT極具破壞性。雖然,IGBT號稱有10微秒的抗短路能力,十幾倍的額定電流也是難於承受的,我的經驗是,最多只能承受一次,第二次就玩完。因此,建議,如果有條件嚴格控制IGBT的驅動電壓的話,此類變流器IGBT的柵電壓為14.5-15.5V為宜。


IGBT的主要技術參數之最大額定電流的定義:在一定的殼溫條件下,可以連續通過集電極的最大電流(直流)。


我們必須關注的是:最大額定電流指的是直流,也就是說,不能有開關動作,而且,柵電壓為15V,即IGBT在良好導通的情況下。此時結溫不高於規格書中的最高值。


而實際應用時總是有開關動作的,開關時的瞬時功耗遠遠大於導通時的瞬時功耗,一般正常工作時,導通時的峰值電流應小於其最大額定電流,應該小多少為合理呢?這個問題不能一概而論。這與所選的IGBT的品牌,開關速度,工作頻率,母線電壓,外殼溫度等等多種因素有關。最好向原生產商的技術支持諮詢。


我曾經向三菱作過諮詢,採用三菱的IGBT模塊,設計AC380V的通用變頻器,工作頻率6-7KHZ,選擇相應適用的系列型號。變頻器輸出額定電流的峰值應該設計為IGBT最大額定電流的1/2,通用變頻器一般允許最大150%過載,此時IGBT的峰值電流為IGBT最大額定電流的3/4。


IGBT模塊的壽命


1: 功率循環壽命: 外殼溫度變化很小但結溫變化頻繁時的工作模式下的壽命


 2: 熱循環壽命:系統從啟動到停止期間溫度相對緩慢變化的工作模式下的壽命


下圖是功率模塊的典型結構



當功率模塊結溫變化時, 由於膨脹係數的不同,在鋁線和矽片間、矽片和絕緣基片間將產生應力應變,如果應力一直重複,結合部的熱疲勞將導致產品失效。如下圖



在功率模塊殼溫變化相對緩慢而變化幅度大的工作模式下,由於絕緣基板和銅底板的膨脹係數不同,絕緣基板和銅底板之間的焊錫層將產生應力應變。


如果應力一直重複, 焊錫層將產生裂紋。如果裂紋擴大到矽片的下方,熱阻增大將導致熱失控;或者熱阻增加引起DTj 增加導致功率循環壽命下降,並最終導致引線剝離失效 。如下圖



 


三菱IGBT功率模塊熱疲勞壽命(三菱提供)



功率器件的並聯使用


要實現功率器件的並聯使用,應滿足兩個條件:


1、並聯使用功率器件的一致性好(要選用同一批次的)


2、其導通電阻或飽和壓降為正溫度係數


MOSFET的導通電阻都是正溫度係數的,很容易實現並聯使用


IGBT則不然,有的IGBT飽和壓降是負溫度係數的,有的IGBT飽和壓降是正溫度係數的。


負溫度係數飽和壓降的IGBT並聯使用難於均流,所以,不宜並聯使用。


正溫度係數飽和壓降的IGBT是可以並聯使用的,並且能夠達到很好的均流效果。


例如,INFINEON的FF450R17ME3,下圖是其飽和壓降的溫度特性,當集電極電流大於100A時,飽和壓降有良好的正溫度係數。本人使用兩個模塊並聯,輸出總電流400A交流有效值,實測並聯模塊電流的不均勻度小於5%



三菱的CM400DU-24NFH,該器件最大額定電流為400A,這是一個開關速度很快的IGBT,其飽和壓降比較大,一般應用在工作頻率較高的地方,所以,總損耗較大,因此一般峰值電流在200A左右。從下圖可以清楚地看到,該IGBT集電極電流小於350A時,其飽和壓降為負溫度係數。



 







[admin via 研發互助社區 ] 變流器的器件MOSFET和IGBT介紹已經有3252次圍觀

http://cocdig.com/docs/show-post-38971.html