逆变器的主功率元件的挑选至关重要,现在运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。在小容量低压体系中运用较多的器材为MOSFET,由于MOSFET具有较低的通态压降和较高的开关频率; 在高压中容量体系中一般均选用IGBT模块,这是由于MOSFET跟着电压的升高其通态电阻也随之增大,而IGBT在中容量体系中占有较大的优势;而在特大容量(100KVA以上)体系中,一般均选用GTO作为功率元件。
⑴ 功率器材的分类:
①GTR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构成的。一般选用达林顿复合结构。它的长处是:高电流密度和低饱满电压。它的缺陷即MOSFET的长处(见下)。
②MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Tyansistor)
功率场效应模块(金属氧化物场效应管):其长处是:
开关速度快:功率MOSFET又称VDMOS,是一种多子导电器材,参与导电的是大都载流子,没有少子存储现象,所以无固有存储时刻,其开关速度仅取决于极间寄生电容,故开关时刻极短(小于50-100ns),因而具有更高的作业频率(可达100KHz以上)。
驱动功率小:功率MOSFET是一种电压型操控器材,即通断均由栅极电压操控。彻底注册一个功率MOSFET仅需求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,彻底注册一个功率MOSFET仅需求10毫微秒的时刻。别的还需留意的是在特定的下降时刻内关断器材无需负栅脉冲。由于栅极与器材主体是电阻隔的,因而功率增益高,所需求的驱动功率很小,驱动电路简略。
安全作业区域(SOA)宽:功率MOSFET无二次击穿现象,因而其SOA较同功率的GTR双极性晶体管大,且更安稳经用,作业牢靠性高。
过载才干强:功率MOSFET敞开电压(阀值电压)一般为2-6v,因而具有很高的噪声容限和抗干扰才干。
并联简略:功率MOSFET的通态电阻具有正安稳系数(即通态电阻随结温升高而添加),因而在多管并联时易于均流,对扩展整机容量有利。
功率MOSFET具有较好的线性,且对温度不灵敏。因而开环增益高,放大器级数相对可削减。
器材参数一致性较好,批量生产离散率低。
功率MOSFET的缺陷:导通电阻大,且随温度升高而增大。
⑵ 功率MOSFET的首要参数特性:
①漏源击穿电压(V) V(BR)DSS :是在UGS =0时漏极和源极所能接受的最大电压,它是结温的正温度系数函数。
②漏极额外电流ID :ID 是流过漏极的最大的接连电流,它首要受器材作业温度的约束。一般生产厂家给出的漏极额外电流是器材外壳温度Tc=25℃时的值,所以在挑选器材时要考虑充沛的裕度,避免在器材温度升高时漏极额外电流下降而损坏器材。
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,它直接决议漏极电流。当功率MOSFET导通时,漏极电流流过通态电阻发生耗散功率,通态电阻值愈大,耗散功率愈大,越简略损坏器材。别的,通态电阻与栅极驱动电压UGS有关,UGS 愈高,RDS(ON) 愈小,并且栅源电压过低,抗干扰才干差,简略误关断;但过高的栅极电压会推迟注册和关断的充放电时刻,即影响器材的开关特性。所以归纳考虑,一般取UGS =12-15V为宜。
手册中给出的RDS(ON) 是指器材温度为25℃时的数值,实际上器材温度每升高1℃,RDS(ON) 将增大0.7%,为正温度系数。
④最大耗散功率PD (W):是器材所能接受的最大发热功率(器材温度为25℃时)。
⑤热阻RΘjc (℃/W):是结温文外壳温度差值相对于漏极电流所发生的热功率的比率。其间:θ-表明温度,J-表明结温,C-表明外壳。
⑥输入电容(包含栅漏极间电容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,有必要经过对其充放电才干开关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,所以温度对器材开关速度影响很小。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 :假如栅源电压超越20v,即便电流被限于很小值,栅源之间的硅氧化层仍很简略被击穿,这是器材损坏的最常见原因之一,因而,应该留意使栅源电压不得超越额外值。还应一直记住,即便所加栅极电压坚持低于栅-源间最大额外电压,栅极接连的寄生电感和栅极电容耦合也会发生使氧化层损坏的振动电压。经过栅漏自身电容,还可把漏极电路瞬变构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,以对栅极电压供给牢靠的嵌位。一般还选用一个小电阻或铁氧体来按捺不期望的振动。
⑧MOSFET的截止,不需求象双极晶体管那样,对驱动电路进行精心规划(如在栅极加负压)。由于MOSFET是大都载流子半导体器材,只要把加在栅极-源极之间的电压一吊销(即降到0v),它立刻就会截止。(见参(2) P70)
⑨在工艺规划中,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。假如真实无法减小其长度,可以用铁氧体小磁环或一个小电阻和MOSFET的栅极串接起来,这两个元件尽量挨近MOSFET的栅极。最好在栅极和源极之间再接一个10K的电阻,以防栅极回路不小心断开而焚毁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”。
留意:这个二极管的反向恢复时刻长达几us到几十us,其高频开关特性远不如功率MOSFET自身,使之在高频下的某些场合成了负担。
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的一大缺陷,如在其漂移区中注入少子,引进大注入效应,发生电导调制,使其特征阻抗大幅度下降,这便是IGBT。在平等耐压条件下,IGBT的导通电阻只要MOSFET的1/10–1/30,电流密度提高了10-20倍。可是引进了少子效应,构成两种载流子一起运转,使作业频率下降了许多。IGBT是MOSFET和GTR双极性晶体管的折衷器材,结构上和MOSFET很类似,但其作业原理更挨近GTR,所以IGBT适当一个N沟道MOSFET驱动的PNP晶体管。特色:它将MOSFET和GTR的长处集于一身,既具有MOSFET输入阻抗高、速度快、热安稳性好和驱动电路简略的长处,又有GTR通态电压低、耐压高的长处。