如何准确选择功率器件二

2012-12-21 19:45:36来源: 互联网
第三步:确定热要求

  选择MOSFET的下一步是计算系统的散热要求。设计人员必须考虑两种不同的情况,即最坏情况和真实情况。建议采用针对最坏情况的计算结果,因为这个结果提供更大的安全余量,能确保系统不会失效。在MOSFET的资料表上还有一些需要注意的测量数据;比如封装器件的半导体结与环境之间的热阻,以及最大的结温。

  器件的结温等于最大环境温度加上热阻与功率耗散的乘积(结温=最大环境温度+[热阻×功率耗散])。根据这个方程可解出系统的最大功率耗散,即按定义相等于I2×RDS(ON)。由于设计人员已确定将要通过器件的最大电流,因此可以计算出不同温度下的RDS(ON)。值得注意的是,在处理简单热模型时,设计人员还必须考虑半导体结/器件外壳及外壳/环境的热容量;即要求印刷电路板和封装不会立即升温。

  雪崩击穿是指半导体器件上的反向电压超过最大值,并形成强电场使器件内电流增加。该电流将耗散功率,使器件的温度升高,而且有可能损坏器件。半导体公司都会对器件进行雪崩测试,计算其雪崩电压,或对器件的稳健性进行测试。计算额定雪崩电压有两种方法;一是统计法,另一是热计算。而热计算因为较为实用而得到广泛采用。除计算外,技术对雪崩效应也有很大影响。例如,晶片尺寸的增加会提高抗雪崩能力,最终提高器件的稳健性。对最终用户而言,这意味着要在系统中采用更大的封装件。

  第四步:决定开关性能

  选择MOSFET的最后一步是决定MOSFET的开关性能。影响开关性能的参数有很多,但最重要的是极/漏极、栅极/源极及漏极/源极电容。这些电容会在器件中产生开关损耗,因为在每次开关时都要对它们充电。MOSFET的开关速度因此被降低,器件效率也下降。为计算开关过程中器件的总损耗,设计人员必须计算开通过程中的损耗(Eon)和关闭过程中的损耗(Eoff)。MOSFET开关的总功率可用如下方程表达:Psw=(Eon+Eoff)×开关频率。而栅极电荷(Qgd)对开关性能的影响最大。

  基于开关性能的重要性,新的技术正在不断开发以解决这个开关问题。芯片尺寸的增加会加大栅极电荷;而这会使器件尺寸增大。为了减少开关损耗,新的技术如沟道厚底氧化已经应运而生,旨在减少栅极电荷。

  通过了解MOSFET的类型及了解和决定它们的重要性能特点,设计人员就能针对特定设计选择正确的MOSFET。由于MOSFET是电气系统中最基本的部件之一,选择正确的MOSFET对整个设计是否成功起着关键的作用。
IGBT的正确选择和使用

  本文研究了逆变器核心开关器件IGBT主要参数的选择, 分析三相逆变电路拓扑功率器件IGBT的应用特点,根据其特点选择合适额定电压,额定电流和开关参数。以及优化设计栅电压,克服Miller效应的影响,确保在IGBT应用过程中的可靠性。

  0 前言

  伴随科学技术的发展和低碳经济的要求,逆变器在各行各业中应用飞速发展,而IGBT是目前逆变器中使用的主流开关器件,也在逆变结构中起核心作用。采用IGBT进行功率变换,能够提高用电效率,改善用电质量。新型IGBT逆变技术是推动我国低碳经济发展战略的突破口,同时缓解能源,资源和环境等方面的压力,加快转变经济增长方式,促进信息化带动工业化, 提高国家经济安全性,起着重要作用,因此,IGBT在逆变器中的正确选择与使用,有着举足轻重的作用。逆变技术对IGBT的参数要求并不是一成不变的,逆变技术已从硬开关技术,移相软开关技术发展到双零软开关技术,各个技术之间存在相辅相成的纽带关系, 同时具有各自的应用电路要求特点,因而,对开关器件的IGBT的要求各不相同。而IGBT正确选择与使用尤为重要。

  1 IGBT额定电压的选择

  三相380V输入电压经过整流和滤波后,直流母线电压的最大值:

  

  在开关工作的条件下,fGBT的额定电压一般要求高于直流母线电压的两倍,根据IGBT规格的电压等级,选择1 200V电压等级的IGBT。

  2 IGBT额定电流的选择

  以30kW变频器为例,负载电流约为79A,由于负载电气启动或加速时,电流过载,一般要求1分钟的时间内,承受1.5倍的过流,择最大负载电流约为119A ,建议选择150A电流等级的IGBT。

  3 IGBT开关参数的选择

  变频器的开关频率一般小于10 kH Z,而在实际工作的过程中,fGBT的通态损耗所占比重比较大,建议选择低通态型IGBT,以30 kW ,逆变频率小于10kH z的变频器为例,选择IGBT的开关参数见表1。

  

  4 影响IGBT可靠性因素

  1)栅电压。

  IGBT工作时,必须有正向栅电压,常用的栅驱动电压值为15~187,最高用到20V, 而棚电压与栅极电阻Rg有很大关系,在设计IGBT驱动电路时, 参考IGBT Datasheet中的额定Rg值,设计合适驱动参数,保证合理正向栅电压。因为IGBT的工作状态与正向棚电压有很大关系,正向栅电压越高,开通损耗越小,正向压降也咯小。

  在桥式电路和大功率应用情况下,为了避免干扰,在IGBT关断时,栅极加负电压,一般在-5- 15V,保证IGBT的关断,避免Miller效应影响。

  2)Miller效应。

  为了降低Miller效应的影响,在IGBT栅驱动电路中采用改进措施:(1)开通和关断采用不同栅电阻Rg,on和Rg,off,确保IGBT的有效开通和关断;(2)栅源间加电容c,对Miller效应产生的电压进行能量泄放;(3)关断时加负栅压。在实际设计中,采用三者合理组合,对改进Mille r效应的效果更佳。
        
         结论

  (1)IGBT是逆变器主要使用的主要功率开关器件,也是逆变器中主要工作器件,合理选择IGBT是保证IGBT可靠工作的前提,同时,要根据三相逆变电路结构的特点,选择低通态型IGBT为佳。
主要参数如下

  Vce

  ICM

  ILM

  IC @ TC = 25°C

  IC @ TC = 100°C

  IF @ TC = 25°C

  IF @ TC = 100°C

  IFM(Diode Max Forward Current)

  VGE

  以上参数主要决定了所选择管子的规格。其中耐压、耐流和耐最大冲击电流能力都需要特别关注,特别是电源中有开机的inrush current一般会很大,需要较大的ICM.驱动电压多少我不用多说了,一定温度下电流通流能力是做一个很重要的参数,直接关系到你做halt试验结果。

  PD @ TC = 25°C

  PD @ TC = 100°C

  Rθjc( IGBT)

  Rθjc(Diode)

  Rθcs(Case-to-Sink.。.)

  Rθja(Junction-to-Ambient.。.)

  以上直接决定拟所选择管子的热设计,知道以上参数可以推算出junction的温度,也就是温度最高点的温度

  VCE(on)

  VFM

  Diode Forward Voltage Drop

  Eon

  Eoff

  Etot

  Eon

  Eoff

  Etot

  Td(on)

  Tr

  Td(off)

  Tf

  Trr

  Irr

  以上参数直接关系到你计算管子的损耗计算,是前期研发的重要参数,直接关系到你估计的损耗,接合热阻等概念,直接可以大概估计你所选择管子的热设计如何选择。

  最后当然还有个重要的参数就是价格了。

  以上我列出了的igbt 和mosfet的项目中带有体内二极管,如果没有体内二极管的管子,你当然应知道该如何处理

  (2)根据IGBT的棚特性。合理设计栅驱动结构, 保证IGBT有效的开通和关断, 降低Miller效应的影响。

关键字:功率器件

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/1221/article_17856.html
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