功率元器件应用秘诀,采用专用MOSFET提高效率

2013-02-24 16:52:43来源: 互联网
新的MOSFET将瞄准多个市场,包括直流对直流(DC-DC)、离线交流对直流(AC-DC)、电机控制、不断电系统(UPS)、太阳能逆变器(Inverter)、焊接、钢铁切割、开关电源(Switched-mode Power Supply, SMPS)、太阳能/风能和电动车(EV)电池充电器等。

  具较高开关频率 MOSFET应用范围优于IGBT

  由于电力需求日益增长,且发电成本也同步上升,对公家事业而言,政府机构要求减少有害气体排放量的压力也在增加,在在迫使设计人员须提高设备电源效率和性能。尤其各国政府机构对最低电源转换效率的规範,更让元件设计人员须根据特殊拓扑的变化,开发特定应用MOSFET,因此元件参数在所有拓扑中,均扮演改善电路效率和性能的重要角色。

  在1970年代晚期推出MOSFET前,闸流体(Thyristor)和双极型接面电晶体(Bipolar Junction Transistors, BJT)是仅有的功率开关。BJT是电流受控元件,而MOSFET与在1980年代面世的绝缘闸双极电晶体(IGBT)则同为电压受控元件。

  然而,MOSFET是正温度系数元件,但IGBT不一定是正温度系数元件;且MOSFET为多数载流子元件,成为高频应用的理想选择,如将DC转换为AC的逆变器,可以在超音波的频率下工作,以避免音频干扰;相较于IGBT,MOSFET还具有高抗雪崩能力。

  在选择MOSFET时,工作频率是一项重要的考量因素,与同等的MOSFET相比,IGBT具有较低的箝位能力。当在IGBT和MOSFET之间选择时,必须考虑逆变器输入的DC汇流排电压、额定功率、功率拓扑和工作频率。IGBT通常用于200伏特(V)及以上的应用;而MOSFET可用于从201000伏特的应用。市面上业者虽可提供300伏特的IGBT,但MOSFET的开关频率比IGBT高得多,且较新型MOSFET还具有更低的导通损耗和开关损耗,逐渐在高达600伏特的中等电压应用取代IGBT。

  环保节能意识抬头 特定应用MOSFET需求大增

  对替代能源电力系统、UPS、开关电源和其他工业系统的设计工程师而言,由于须不断设法改进系统轻载和满载时的电源转换效率、功率密度、可靠性和动态性能,故对效能优异的特定应用MOSFET需求殷切。其中,风能是近来增长最快的能源之一,风力机翼片控制中须使用大量的MOSFET元件,藉着满足不同应用需求,特定应用MOSFET即可改善上述所需的功能表现。

  不久的将来,其他需要新型和特定MOSFET的应用还包括易于安装在家庭车库,或商业停车场的电动车充电系统。这些充电系统将通过太阳能系统和公用电网(Utility Grid)来运行。由于壁挂式电动车充电站须具快速充电能力,且建置太阳能电池充电站也将变得愈来愈重要,均须导入可支援高压的特定应用MOSFET。

  太阳能逆变器可能需要不同的MOSFET,例如Ultra FRFET MOSFET和常规体(Regular Body)二极体MOSFET;至于叁相马达驱动和UPS逆变器则需相同类型的MOSFET。近来,业界大量投资太阳能发电,大多数增长始于住宅太阳能计画,随后较大规模的商业专案也陆续出现,而多晶硅价格已从2007年的每公斤400美元跌落至2009年的每公斤70美元,且仍持续降价,也将驱动市场显着增长。

  事实上,太阳能系统对特定应用MOSFET的需求早已存在。由于太阳能可帮助降低峰值功率的成本,避免发电成本随燃料价格波动而增加,并可为公用电网提供更多的电力,成为取之不尽的绿色能源;加上美国政府已设定目标,要求80%的国家电力要来自绿色能源,在在带动对特定应用MOSFET元件不断增长的需求。如果将不同拓扑的MOSFET元件优化,可显着提升最终产品解决方案的效率。

  与此同时,逐渐普及的市电并联(Grid-tie)逆变器係一种将DC转换为AC注入现有公用电网的专用逆变器。DC电源由可再生能源产生,如风力机组或太阳能电池板,该逆变器也被称为电网交互(Grid Interactive)或同步逆变器,只有在连接至电网时,市电并联逆变器才会工作。目前市场上的逆变器採用各种拓扑设计,视功能要求的折衷权衡而定,独立操作的逆变器也以特定设计,提供功率因数为1,或延迟、超前的电源。

  儘管特定应用MOSFET正快速兴起,但其诉求高开关频率须降低MOSFET的寄生电容,此一做法的代价将牺牲导通电阻(Rds(on))。而低频应用,则要求以降低Rds(on)做为最优先考量。对于单端型应用,MOSFET自体二极体恢復(Body Diode Recovery)特性并不重要,但对双端型应用则变得非常重要,因其要求低反向恢復电荷(Reverse Recovery Charge, QRR)和低反向恢復时间(Reverse Recovery Time, tRR)和更软的自体二极体恢復。在软开关双端应用中,这些要求对可靠性极其重要;而硬开关应用因工作电压增加,导通和关断损耗也将提高,为减少关断损耗,可根据Rds(on)来优化CRSS和COSS。

  MOSFET支援零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)拓扑;然而IGBT仅支持ZCS拓扑,故一般而言,IGBT应用于大电流和低频开关,MOSFET用于小电流和高频开关;而透过混合模式模拟工具则可用来设计特定应用MOSFET。

  事实上,随着硅、沟槽技术迭有进展,特定应用MOSFET的导通电阻及其他动态寄生电容均已大幅降低;同时,更先进的封装技术也对改善特定应用MOSFET的自体二极体恢復性能,发挥关键性的作用。

  MOSFET适用高/低频逆变器

  以DC-AC逆变器应用为例,其广泛应用于马达驱动、UPS和绿色能源系统,通常高电压和大功率系统使用IGBT;但对LV、MV、HV(12400伏特输入DC汇流排),通常使用MOSFET。在太阳能、UPS和马达驱动的高频DC-AC逆变器领域,MOSFET已相当普及。

  在某些DC汇流排电压大于400伏特的情况下,会採用HV MOSFET;至于用在低功率应用上,因MOSFET具有一个内在的自体二极体,其开关性能很差,通常会在逆变器桥臂互补MOSFET中带来高导通损耗。不过,在单开关或单端型应用中,如功率因数校正(PFC)、正向或返驰式(Flyback)转换器,自体二极体不是正向偏压,可忽略它的存在。

  由于低载波频率逆变器的负担是附加输出滤波器的尺寸、重量和成本;高载波频率逆变器的优势是较小、较低成本的低通滤波器设计。MOSFET可通用在这些逆变器裡,因可在较高的开关频率下工作,此即减少射频干扰(Radio-Frequency Interference, RFI),且因开关频率电流成分在逆变器和输出滤波器内流转,从而消除向外的流动。

  逆变器强调安全高效率 MOSFET须面面俱到

  逆变器内建的MOSFET要求降低导通损耗,导致元件到元件之间的Rds(on)变化也须做到更小。此举有两个主要目的,首先在逆变器输出端的DC成分较少,且此一Rds(on)可用于电流感测,以控制异常状况(主要是在低压逆变器中);另外就是对相同的Rds(on),低导通电阻可缩小裸晶尺寸,从而降低成本。

  当裸晶尺寸缩小时,还可进一步使用非箝位感应开关(Unclamped Inductive Switching, UIS)来设计MOSFET单元结构;相较于平面MOSFET,在相同的裸晶尺寸条件下,现代沟槽MOSFET具有良好的UIS。而薄裸晶减小热阻(Thermal Resistance, RthJC),在这种情况下,较低的品质因数(FOM)可以公式1表示:

  RSP×RthJC/UIS.。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。公式1

  对逆变器而言,MOSFET还须拥有良好的安全工作区(Safe Operating Area, SOA)和较低的跨导。同时,逆变器会产生少量的闸漏电容(Gate-to-drain Capacitance, CGD)(米勒电荷),但低CGD/CGS比是必要的,可降低击穿的机率,且适度提高CGD可帮助减少电磁干扰(EMI),而低CGD则增加dv/dt,并因此加剧EMI。这些逆变器不在高频下工作,而是处于中频状态,故可让闸极ESR增加少许,并可允许稍高的CGD和CGS。

  此外,MOSFET也要降低COSS减少开关损耗,但开关期间的COSS和CGD突变会引起闸极振盪和高过衝,长时间可能损坏闸级。这种情况下,高源漏dv/dt会成为一个问题。若藉由超过3伏特的高闸极阈值电压(VTH),则可实现更好的抗噪性和并联效益。

  必须注意的是,逆变器MOSFET在某些情况下,需要高脉衝漏极电流(IDM)能力,以提供高短路电流的抗扰度,高输出滤波器的充电电流,以及高马达启动电流。另外,藉着在裸晶上使用更多的接合丝焊来减少MOSFET的共源极电感。

  最后则是拥有自体二极体恢復能力,MOSFET须具低QRR和tRR,且更软、更快的自体二极体。同时,软度因数(Softness Factor)S(Tb/Ta)应该大于1。如此一来,将可减小二极体恢復、dv/dt及逆变器的击穿可能性;反过来说,活跃(Snappy)自体二极体会引起击穿和高电压尖峰脉衝的问题。

  自体二极体对效率影响甚巨

  本文讨论的快速自体二极体MOSFET,因自体二极体的离子寿命被压缩,故减少tRR和QRR,让MOSFET的自体与外延二极体极为相似。这种特性使此一MOSFET适用于各种不同应用的高频逆变器。至于逆变器桥臂,二极体由于反向电流而被迫正向导通,更加突显此特性的重要性。

相形之下,常规MOSFET的自体二极体一般反向恢復时间长、QRR值高,若此自体二极体被迫导通,负

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关键字:功率元器件  MOSFET  效率

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/0224/article_17973.html
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