变流器的核心器件MOSFET和IGBT

2011-05-05 11:26:00来源: 互联网

MOSFETIGBT是当前变流器中应用最广泛,最重要的两类核心器件。MOSFET主要应用在低压和中压(中小功率),IGBT主要应用在高压和中压(大功率)领域。

关于MOSFET已经有很充分的精辟的论述,在此不再重复,只对个别问题作一点补充。IGBT的讨论还较少,因此,是本文的主要讨论对象。

首先来说MOSFET

提一个基础性问题:驱动MOSFET导通的最佳电压是多少伏?

绝大多数人的回答是:15V。这个答案不能说错,但是,这活干得太粗。

MOSFET的导通电阻是随栅电压的提高而下降,当栅电压达到一定值时,导通电阻就基本不会再降了,暂且称之为“充分导通”,一般认为这个电压是低于15V的。

实际上,不同耐压的MOSFET达到充分导通的栅电压是不同的。基本规律是:耐压越高的MOSFET,达到充分导通的栅电压越低;耐压越低的MOSFET,达到充分导通的栅电压越高。我查阅了各种耐压MOSFET的VGS-RDS曲线,得到的结论是:耐压200V的MOSFET达到充分导通的栅电压>16V;耐压500V的MOSFET达到充分导通的栅电压>12V;耐压1000V的MOSFET达到充分导通的栅电压>8V。因此,建议:耐压200V及以下的MOSFET栅驱动电压=17-18V;耐压500V的MOSFET栅驱动电压=15V;耐压1000V的MOSFET栅驱动电压=12V。

说了MOSFET的驱动电压,再来说说IGBT的驱动电压,IGBT的驱动电压为15±1.5V,与IGBT的耐压无关。驱动电压低于13.5V,IGBT的饱和压降会明显增高;高于16.5V,既没有必要,还可能带来不利的影响。

再谈IGBT

某些用IGBT作为主功率器件的变流器,IGBT的输出直接与外部负载连接,例如驱动电机调速的变频器,司服系统等等。一旦负载短路,就会造成IGBT极为严重的过流,此时IGBT会有多大的电流呢?大约是IGBT额定电流的几倍到十几倍,过流的严重程度与IGBT的栅驱动电压相关,即,当IGBT的驱动电压在14V以下时,其短路电流就较小,约是其额定电流的几倍;当IGBT的驱动电压在16V以上时,其短路电流就很大,约是其额定电流的十几倍,显然,这么大的短路电流,对IGBT极具破坏性。虽然,IGBT号称有10微秒的抗短路能力,十几倍的额定电流也是难于承受的,我的经验是,最多只能承受一次,第二次就玩完。因此,建议,如果有条件严格控制IGBT的驱动电压的话,此类变流器IGBT的栅电压为14.5-15.5V为宜。

IGBT的主要技术参数之最大额定电流的定义:在一定的壳温条件下,可以连续通过集电极的最大电流(直流)。

我们必须关注的是:最大额定电流指的是直流,也就是说,不能有开关动作,而且,栅电压为15V,即IGBT在良好导通的情况下。此时结温不高于规格书中的最高值。

而实际应用时总是有开关动作的,开关时的瞬时功耗远远大于导通时的瞬时功耗,一般正常工作时,导通时的峰值电流应小于其最大额定电流,应该小多少为合理呢?这个问题不能一概而论。这与所选的IGBT的品牌,开关速度,工作频率,母线电压,外壳温度等等多种因素有关。最好向原生产商的技术支持咨询。

我曾经向三菱作过咨询,采用三菱的IGBT模块,设计AC380V的通用变频器,工作频率6-7KHZ,选择相应适用的系列型号。变频器输出额定电流的峰值应该设计为IGBT最大额定电流的1/2,通用变频器一般允许最大150%过载,此时IGBT的峰值电流为IGBT最大额定电流的3/4。

IGBT模块的寿命

1: 功率循环寿命: 外壳温度变化很小但结温变化频繁时的工作模式下的寿命

 2: 热循环寿命:系统从启动到停止期间温度相对缓慢变化的工作模式下的寿命

下图是功率模块的典型结构

当功率模块结温变化时, 由于膨胀系数的不同,在铝线和硅片间、硅片和绝缘基片间将产生应力应变,如果应力一直重复,结合部的热疲劳将导致产品失效。如下图

在功率模块壳温变化相对缓慢而变化幅度大的工作模式下,由于绝缘基板和铜底板的膨胀系数不同,绝缘基板和铜底板之间的焊锡层将产生应力应变。

如果应力一直重复, 焊锡层将产生裂纹。如果裂纹扩大到硅片的下方,热阻增大将导致热失控;或者热阻增加引起DTj 增加导致功率循环寿命下降,并最终导致引线剥离失效 。如下图

三菱IGBT功率模块热疲劳寿命(三菱提供)

功率器件的并联使用

要实现功率器件的并联使用,应满足两个条件:

1、并联使用功率器件的一致性好(要选用同一批次的)

2、其导通电阻或饱和压降为正温度系数

MOSFET的导通电阻都是正温度系数的,很容易实现并联使用

IGBT则不然,有的IGBT饱和压降是负温度系数的,有的IGBT饱和压降是正温度系数的。

负温度系数饱和压降的IGBT并联使用难于均流,所以,不宜并联使用。

正温度系数饱和压降的IGBT是可以并联使用的,并且能够达到很好的均流效果。

例如,INFINEON的FF450R17ME3,下图是其饱和压降的温度特性,当集电极电流大于100A时,饱和压降有良好的正温度系数。本人使用两个模块并联,输出总电流400A交流有效值,实测并联模块电流的不均匀度小于5%

 

三菱的CM400DU-24NFH,该器件最大额定电流为400A,这是一个开关速度很快的IGBT,其饱和压降比较大,一般应用在工作频率较高的地方,所以,总损耗较大,因此一般峰值电流在200A左右。从下图可以清楚地看到,该IGBT集电极电流小于350A时,其饱和压降为负温度系数。

关键字:核心  器件  mosfet

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0505/article_8043.html
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