開關(guān)電源設(shè)計(jì)中怎樣選擇良好逆變器功率器件

　　逆變器的主功率元件的選擇至關(guān)重要，目前使用較多的功率元件有達(dá)林頓功率晶體管(GTR)，功率場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)，絕緣柵晶體管(IGBT)和可關(guān)斷晶閘管(GTO)等。在小容量低壓系統(tǒng)中使用較多的器件為MOSFET，因?yàn)镸OSFET具有較低的通態(tài)壓降和較高的開關(guān)頻率; 在高壓中容量系統(tǒng)中一般均采用IGBT模塊，這是因?yàn)镸OSFET隨著電壓的升高其通態(tài)電阻也隨之增大，而IGBT在中容量系統(tǒng)中占有較大的優(yōu)勢(shì);而在特大容量(100KVA以上)系統(tǒng)中，一般均采用GTO作為功率元件。

　?、?功率器件的分類：

　?、貵TR電力晶體管(Giant Transistor)：

　　GTR功率晶體管即雙極型晶體管(bipolar transistor)，所謂雙極型是指其電流由電子和空穴兩種載流子形成的。一般采用達(dá)林頓復(fù)合結(jié)構(gòu)。它的優(yōu)點(diǎn)是：高電流密度和低飽和電壓。它的缺點(diǎn)即MOSFET的優(yōu)點(diǎn)(見下)。

　?、贛OSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Tyansistor)

　　功率場(chǎng)效應(yīng)模塊(金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管)：其優(yōu)點(diǎn)是：

　　開關(guān)速度快：功率MOSFET又稱VDMOS，是一種多子導(dǎo)電器件，參加導(dǎo)電的是多數(shù)載流子，沒有少子存儲(chǔ)現(xiàn)象，所以無固有存儲(chǔ)時(shí)間，其開關(guān)速度僅取決于極間寄生電容，故開關(guān)時(shí)間極短(小于50-100ns)，因而具有更高的工作頻率(可達(dá)100KHz以上)。

　　驅(qū)動(dòng)功率?。汗β蔒OSFET是一種電壓型控制器件，即通斷均由柵極電壓控制。完全開通一個(gè)功率MOSFET僅需要10-20毫微秒庫侖的電荷，例如一個(gè)1安培、10毫微秒寬的方波脈沖，完全開通一個(gè)功率MOSFET僅需要10毫微秒的時(shí)間。另外還需注意的是在特定的下降時(shí)間內(nèi)關(guān)斷器件無需負(fù)柵脈沖。由于柵極與器件主體是電隔離的，因此功率增益高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率很小，驅(qū)動(dòng)電路簡單。

　　安全工作區(qū)域(SOA)寬：功率MOSFET無二次擊穿現(xiàn)象，因此其SOA較同功率的GTR雙極性晶體管大，且更穩(wěn)定耐用，工作可靠性高。

　　過載能力強(qiáng)：功率MOSFET開啟電壓(閥值電壓)一般為2-6v，因此具有很高的噪聲容限和抗干擾能力。

　　并聯(lián)容易：功率MOSFET的通態(tài)電阻具有正穩(wěn)定系數(shù)(即通態(tài)電阻隨結(jié)溫升高而增加)，因而在多管并聯(lián)時(shí)易于均流，對(duì)擴(kuò)大整機(jī)容量有利。

　　功率MOSFET具有較好的線性，且對(duì)溫度不敏感。因此開環(huán)增益高，放大器級(jí)數(shù)相對(duì)可減少。

　　器件參數(shù)一致性較好，批量生產(chǎn)離散率低。

　　功率MOSFET的缺點(diǎn)：導(dǎo)通電阻大，且隨溫度升高而增大。

　?、?功率MOSFET的主要參數(shù)特性：

　?、俾┰磽舸╇妷?V) V(BR)DSS ：是在UGS =0時(shí)漏極和源極所能承受的最大電壓，它是結(jié)溫的正溫度系數(shù)函數(shù)。

　?、诼O額定電流ID ：ID 是流過漏極的最大的連續(xù)電流，它主要受器件工作溫度的限制。一般生產(chǎn)廠家給出的漏極額定電流是器件外殼溫度Tc=25℃時(shí)的值，所以在選擇器件時(shí)要考慮充分的裕度，防止在器件溫度升高時(shí)漏極額定電流降低而損壞器件。

　　③通態(tài)電阻RDS(ON) ：它是功率MOSFET導(dǎo)通時(shí)漏源電壓與漏極電流的比率，它直接決定漏極電流。當(dāng)功率MOSFET導(dǎo)通時(shí)，漏極電流流過通態(tài)電阻產(chǎn)生耗散功率，通態(tài)電阻值愈大，耗散功率愈大，越容易損壞器件。另外，通態(tài)電阻與柵極驅(qū)動(dòng)電壓UGS有關(guān)，UGS 愈高，RDS(ON) 愈小，而且柵源電壓過低，抗干擾能力差，容易誤關(guān)斷;但過高的柵極電壓會(huì)延緩開通和關(guān)斷的充放電時(shí)間，即影響器件的開關(guān)特性。所以綜合考慮，一般取UGS =12-15V為宜。

　　手冊(cè)中給出的RDS(ON) 是指器件溫度為25℃時(shí)的數(shù)值，實(shí)際上器件溫度每升高1℃，RDS(ON) 將增大0.7%，為正溫度系數(shù)。

　?、茏畲蠛纳⒐β蔖D (W)：是器件所能承受的最大發(fā)熱功率(器件溫度為25℃時(shí))。

　　⑤熱阻RΘjc (℃/W)：是結(jié)溫和外殼溫度差值相對(duì)于漏極電流所產(chǎn)生的熱功率的比率。其中：θ-表示溫度，J-表示結(jié)溫，C-表示外殼。

　?、掭斎腚娙?包括柵漏極間電容CGD和柵源極間電容CGS) ：在驅(qū)動(dòng)MOSFET中輸入電容是一個(gè)非常重要的參數(shù)，必須通過對(duì)其充放電才能開關(guān)MOSFET，所以驅(qū)動(dòng)電路的輸出阻抗將嚴(yán)重影響MOSFET的開關(guān)速度。輸出阻抗愈小，驅(qū)動(dòng)電路對(duì)輸入電容的充放電速度就越快，開關(guān)速度也就越快。溫度對(duì)輸入電容幾乎沒有影響，所以溫度對(duì)器件開關(guān)速度影響很小。柵漏極間電容CGD 是跨接在輸出和輸入回路之間，所以稱為米勒電容。

　?、邧艠O驅(qū)動(dòng)電壓UGS ：如果柵源電壓超過20v，即使電流被限于很小值，柵源之間的硅氧化層仍很容易被擊穿，這是器件損壞的最常見原因之一，因此，應(yīng)該注意使柵源電壓不得超過額定值。還應(yīng)始終記住，即使所加?xùn)艠O電壓保持低于柵-源間最大額定電壓，柵極連續(xù)的寄生電感和柵極電容耦合也會(huì)產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電壓。通過柵漏自身電容，還可把漏極電路瞬變?cè)斐傻倪^電壓耦合過來。鑒于上述原因，應(yīng)在柵-源間跨接一個(gè)齊納穩(wěn)壓二極管，以對(duì)柵極電壓提供可靠的嵌位。通常還采用一個(gè)小電阻或鐵氧體來抑制不希望的振蕩。

　?、郙OSFET的截止，不需要象雙極晶體管那樣，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行精心設(shè)計(jì)(如在柵極加負(fù)壓)。因?yàn)镸OSFET是多數(shù)載流子半導(dǎo)體器件，只要把加在柵極-源極之間的電壓一撤消(即降到0v)，它馬上就會(huì)截止。(見參(2) P70)

　?、嵩诠に囋O(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量減小與MOSFET各管腳連線的長度，特別是柵極連線的長度。如果實(shí)在無法減小其長度，可以用鐵氧體小磁環(huán)或一個(gè)小電阻和MOSFET的柵極串接起來，這兩個(gè)元件盡量靠近MOSFET的柵極。最好在柵極和源極之間再接一個(gè)10K的電阻，以防柵極回路不慎斷開而燒毀MOSFET。

　　功率MOSFET內(nèi)含一個(gè)與溝道平行的反向二極管，又稱“體二極管”。

　　注意：這個(gè)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間長達(dá)幾u(yù)s到幾十us，其高頻開關(guān)特性遠(yuǎn)不如功率MOSFET本身，使之在高頻下的某些場(chǎng)合成了累贅。

　?、?IGBT(Isolated Gate Bipolar Transistor) 絕緣門極雙極型晶體管：

　　通態(tài)電阻RDS(ON) 大是MOSFET的一大缺點(diǎn)，如在其漂移區(qū)中注入少子，引入大注入效應(yīng)，產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制，使其特征阻抗大幅度下降，這就是IGBT。在同等耐壓條件下，IGBT的導(dǎo)通電阻只有MOSFET的1/10--1/30，電流密度提高了10-20倍。但是引入了少子效應(yīng)，形成兩種載流子同時(shí)運(yùn)行，使工作頻率下降了許多。IGBT是MOSFET和GTR雙極性晶體管的折衷器件，結(jié)構(gòu)上和MOSFET很相似，但其工作原理更接近GTR，所以IGBT相當(dāng)一個(gè)N溝道MOSFET驅(qū)動(dòng)的PNP晶體管。特點(diǎn)：它將MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)集于一身，既具有MOSFET輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動(dòng)電路簡單的優(yōu)點(diǎn)，又有GTR通態(tài)電壓低、耐壓高的優(yōu)點(diǎn)。