逆变器主功率器件的选择

逆变器主功率器件的选择逆变器的主功率元件的选择至关重要， 目前使用较多的功率元件有达林顿功率晶体管（ GTR），功率场效应管（ MOSFET ），绝缘栅晶体管（ IGBT）和可关断晶闸管（ GTO）等。在小容量低压系统中使用较多的器件为 MOSFET ，因为MOSFET 具有较低的通态压降和较高的开关频率； 在高压中容量系统中一般均采用 IGBT 模块，这是因为 MOSFET 随着电压的升高其通态电阻也随之增大，而 IGBT 在中容量系统中占有较大的优势；而在特大容量（ 100KVA 以上）系统中，一般均采用 GTO 作为功率元件。⑴ 功率器件的分类：① GTR 电力晶体管 (Giant Transistor) ：GTR 功率晶体管即双极型晶体管 (bipolar transistor), 所谓双极型是指其电流由电子和空穴两种载流子形成的。 一般采用达林顿复合结构。 它的优点是： 高电流密度和低饱和电压。它的缺点即 MOSFET 的优点 (见下 )。② MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Tyansistor) 功率场效应模块 (金属氧化物场效应管 )：其优点是：开关速度快：功率 MOSFET 又称 VDMOS ，是一种多子导电器件，参加导电的是多数载流子， 没有少子存储现象， 所以无固有存储时间， 其开关速度仅取决于极间寄生电容，故开关时间极短 (小于 50－ 100ns), 因而具有更高的工作频率(可达 100KHz 以上 )。驱动功率小：功率 MOSFET 是一种电压型控制器件，即通断均由栅极电压控制。完全开通一个功率 MOSFET 仅需要 10－ 20 毫微秒库仑的电荷，例如一个1 安培、 10 毫微秒宽的方波脉冲，完全开通一个功率 MOSFET 仅需要 10 毫微秒的时间。 另外还需注意的是在特定的下降时间内关断器件无需负栅脉冲。 由于栅极与器件主体是电隔离的， 因此功率增益高， 所需要的驱动功率很小， 驱动电路简单。安全工作区域 (SOA) 宽：功率 MOSFET 无二次击穿现象，因此其 SOA 较同功率的 GTR 双极性晶体管大，且更稳定耐用，工作可靠性高。过载能力强：功率 MOSFET 开启电压 (阀值电压 )一般为 2－ 6v ，因此具有很高的噪声容限和抗干扰能力。并联容易： 功率 MOSFET 的通态电阻具有正稳定系数 (即通态电阻随结温升高而增加 )，因而在多管并联时易于均流，对扩大整机容量有利。功率 MOSFET 具有较好的线性，且对温度不敏感。因此开环增益高，放大器级数相对可减少。器件参数一致性较好，批量生产离散率低。功率 MOSFET 的缺点：导通电阻大，且随温度升高而增大。⑵ 功率 MOSFET 的主要参数特性：① 漏源击穿电压 (V) V(BR)DSS ：是在 UGS ＝ 0 时漏极和源极所能承受的最大电压，它是结温的正温度系数函数。② 漏极额定电流 ID ： ID 是流过漏极的最大的连续电流，它主要受器件工作温度的限制。 一般生产厂家给出的漏极额定电流是器件外壳温度 Tc＝ 25℃时的值，所以在选择器件时要考虑充分的裕度， 防止在器件温度升高时漏极额定电流降低而损坏器件。③ 通态电阻 RDS(ON) ：它是功率 MOSFET 导通时漏源电压与漏极电流的比率，它直接决定漏极电流。当功率 MOSFET 导通时，漏极电流流过通态电阻产生耗散功率，通态电阻值愈大，耗散功率愈大，越容易损坏器件。另外，通态电阻与栅极驱动电压 UGS 有关， UGS 愈高， RDS(ON) 愈小，而且栅源电压过低， 抗干扰能力差， 容易误关断； 但过高的栅极电压会延缓开通和关断的充放电时间，即影响器件的开关特性。所以综合考虑，一般取 UGS ＝ 12－ 15V 为宜。手册中给出的 RDS(ON) 是指器件温度为 25℃时的数值，实际上器件温度每升高 1℃， RDS(ON) 将增大 0.7%, 为正温度系数。④ 最大耗散功率 PD (W) ： 是器件所能承受的最大发热功率 (器件温度为 25℃时 )。⑤ 热阻 RΘ jc (℃ /W) ：是结温和外壳温度差值相对于漏极电流所产生的热功率的比率。其中： θ －表示温度， J－表示结温， C－表示外壳。⑥ 输入电容 (包括栅漏极间电容 CGD 和栅源极间电容 CGS) ： 在驱动 MOSFET中输入电容是一个非常重要的参数，必须通过对其充放电才能开关 MOSFET ，所以驱动电路的输出阻抗将严重影响 MOSFET 的开关速度。输出阻抗愈小，驱动电路对输入电容的充放电速度就越快， 开关速度也就越快。 温度对输入电容几乎没有影响， 所以温度对器件开关速度影响很小。 栅漏极间电容 CGD 是跨接在输出和输入回路之间，所以称为米勒电容。⑦ 栅极驱动电压 UGS ：如果栅源电压超过 20v ，即使电流被限于很小值，栅源之间的硅氧化层仍很容易被击穿， 这是器件损坏的最常见原因之一， 因此， 应该注意使栅源电压不得超过额定值。 还应始终记住， 即使所加栅极电压保持低于栅－源间最大额定电压， 栅极连续的寄生电感和栅极电容耦合也会产生使氧化层损坏的振荡电压。 通过栅漏自身电容， 还可把漏极电路瞬变造成的过电压耦合过来。 鉴于上述原因， 应在栅－源间跨接一个齐纳稳压二极管， 以对栅极电压提供可靠的嵌位。通常还采用一个小电阻或铁氧体来抑制不希望的振荡。⑧ MOSFET 的截止，不需要象双极晶体管那样，对驱动电路进行精心设计 (如在栅极加负压 )。 因为 MOSFET 是多数载流子半导体器件， 只要把加在栅极－源极之间的电压一撤消 (即降到 0v),它马上就会截止。 (见参 (2) P70) ⑨ 在工艺设计中，应尽量减小与 MOSFET 各管脚连线的长度，特别是栅极连线的长度。如果实在无法减小其长度，可以用铁氧体小磁环或一个小电阻和MOSFET 的栅极串接起来， 这两个元件尽量靠近 MOSFET 的栅极。 最好在栅极和源极之间再接一个 10K 的电阻，以防栅极回路不慎断开而烧毁 MOSFET 。功率 MOSFET 内含一个与沟道平行的反向二极管，又称 “ 体二极管 ” 。注意： 这个二极管的反向恢复时间长达几 us 到几十 us， 其高频开关特性远不如功率 MOSFET 本身，使之在高频下的某些场合成了累赘。⑶ IGBT(Isolated Gate Bipolar Transistor) 绝缘门极双极型晶体管：通态电阻 RDS(ON) 大是 MOSFET 的一大缺点，如在其漂移区中注入少子，引入大注入效应，产生电导调制，使其特征阻抗大幅度下降，这就是 IGBT。在同等耐压条件下， IGBT 的导通电阻只有 MOSFET 的 1/10--1/30,, 电流密度提高了 10－ 20 倍。但是引入了少子效应，形成两种载流子同时运行，使工作频率下降了许多。 IGBT 是 MOSFET 和 GTR 双极性晶体管的折衷器件，结构上和MOSFET 很相似，但其工作原理更接近 GTR ，所以 IGBT 相当一个 N 沟道MOSFET 驱动的 PNP 晶体管。 特点： 它将 MOSFET 和 GTR 的优点集于一身，既具有 MOSFET 输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又有 GTR 通态电压低、耐压高的优点。器件名称 GTR MOSFET IGBT 驱动方式 电流 电压 电压驱动功率 大 小 小存储时间 5－ 20us 无 几乎无开关速度 1－ 5us 0.1-0.5us 0.5-1us 高压化 容易 难 容易大电流化 容易 难 容易高速化 难 极容易 极容易短路 SOA 宽 宽 窄饱和电压 极低 高 低并联难易 并联需均流电阻 可简单并联 可简单并联