變流器的核心器件MOSFET和IGBT

MOSFET和IGBT是當(dāng)前變流器中應(yīng)用最廣泛，最重要的兩類核心器件。MOSFET主要應(yīng)用在低壓和中壓（中小功率），IGBT主要應(yīng)用在高壓和中壓（大功率）領(lǐng)域。

關(guān)于MOSFET已經(jīng)有很充分的精辟的論述，在此不再重復(fù)，只對(duì)個(gè)別問題作一點(diǎn)補(bǔ)充。IGBT的討論還較少，因此，是本文的主要討論對(duì)象。

首先來說MOSFET

提一個(gè)基礎(chǔ)性問題：驅(qū)動(dòng)MOSFET導(dǎo)通的最佳柵電壓是多少伏？

絕大多數(shù)人的回答是：15V。這個(gè)答案不能說錯(cuò)，但是，這活干得太粗。

MOSFET的導(dǎo)通電阻是隨柵電壓的提高而下降，當(dāng)柵電壓達(dá)到一定值時(shí)，導(dǎo)通電阻就基本不會(huì)再降了，暫且稱之為“充分導(dǎo)通”，一般認(rèn)為這個(gè)電壓是低于15V的。

實(shí)際上，不同耐壓的MOSFET達(dá)到充分導(dǎo)通的柵電壓是不同的?；疽?guī)律是：耐壓越高的MOSFET，達(dá)到充分導(dǎo)通的柵電壓越低；耐壓越低的MOSFET，達(dá)到充分導(dǎo)通的柵電壓越高。我查閱了各種耐壓MOSFET的VGS－RDS曲線，得到的結(jié)論是：耐壓200V的MOSFET達(dá)到充分導(dǎo)通的柵電壓＞16V；耐壓500V的MOSFET達(dá)到充分導(dǎo)通的柵電壓＞12V；耐壓1000V的MOSFET達(dá)到充分導(dǎo)通的柵電壓＞8V。因此，建議：耐壓200V及以下的MOSFET柵驅(qū)動(dòng)電壓＝17－18V；耐壓500V的MOSFET柵驅(qū)動(dòng)電壓＝15V；耐壓1000V的MOSFET柵驅(qū)動(dòng)電壓＝12V。

說了MOSFET的驅(qū)動(dòng)電壓，再來說說IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓，IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓為15±1.5V，與IGBT的耐壓無關(guān)。驅(qū)動(dòng)電壓低于13.5V，IGBT的飽和壓降會(huì)明顯增高；高于16.5V，既沒有必要，還可能帶來不利的影響。

再談IGBT

某些用IGBT作為主功率器件的變流器，IGBT的輸出直接與外部負(fù)載連接，例如驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速的變頻器，司服系統(tǒng)等等。一旦負(fù)載短路，就會(huì)造成IGBT極為嚴(yán)重的過流，此時(shí)IGBT會(huì)有多大的電流呢？大約是IGBT額定電流的幾倍到十幾倍，過流的嚴(yán)重程度與IGBT的柵驅(qū)動(dòng)電壓相關(guān)，即，當(dāng)IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓在14V以下時(shí)，其短路電流就較小，約是其額定電流的幾倍；當(dāng)IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓在16V以上時(shí)，其短路電流就很大，約是其額定電流的十幾倍，顯然，這么大的短路電流，對(duì)IGBT極具破壞性。雖然，IGBT號(hào)稱有10微秒的抗短路能力，十幾倍的額定電流也是難于承受的，我的經(jīng)驗(yàn)是，最多只能承受一次，第二次就玩完。因此，建議，如果有條件嚴(yán)格控制IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓的話，此類變流器IGBT的柵電壓為14.5－15.5V為宜。

IGBT的主要技術(shù)參數(shù)之最大額定電流的定義：在一定的殼溫條件下，可以連續(xù)通過集電極的最大電流（直流）。

我們必須關(guān)注的是：最大額定電流指的是直流，也就是說，不能有開關(guān)動(dòng)作，而且，柵電壓為15V，即IGBT在良好導(dǎo)通的情況下。此時(shí)結(jié)溫不高于規(guī)格書中的最高值。

而實(shí)際應(yīng)用時(shí)總是有開關(guān)動(dòng)作的，開關(guān)時(shí)的瞬時(shí)功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于導(dǎo)通時(shí)的瞬時(shí)功耗，一般正常工作時(shí)，導(dǎo)通時(shí)的峰值電流應(yīng)小于其最大額定電流，應(yīng)該小多少為合理呢？這個(gè)問題不能一概而論。這與所選的IGBT的品牌，開關(guān)速度，工作頻率，母線電壓，外殼溫度等等多種因素有關(guān)。最好向原生產(chǎn)商的技術(shù)支持咨詢。

我曾經(jīng)向三菱作過咨詢，采用三菱的IGBT模塊，設(shè)計(jì)AC380V的通用變頻器，工作頻率6－7KHZ，選擇相應(yīng)適用的系列型號(hào)。變頻器輸出額定電流的峰值應(yīng)該設(shè)計(jì)為IGBT最大額定電流的1/2，通用變頻器一般允許最大150％過載，此時(shí)IGBT的峰值電流為IGBT最大額定電流的3/4。

IGBT模塊的壽命

1: 功率循環(huán)壽命：?外殼溫度變化很小但結(jié)溫變化頻繁時(shí)的工作模式下的壽命

?2: 熱循環(huán)壽命：系統(tǒng)從啟動(dòng)到停止期間溫度相對(duì)緩慢變化的工作模式下的壽命

下圖是功率模塊的典型結(jié)構(gòu)

當(dāng)功率模塊結(jié)溫變化時(shí), 由于膨脹系數(shù)的不同，在鋁線和硅片間、硅片和絕緣基片間將產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變，如果應(yīng)力一直重復(fù)，結(jié)合部的熱疲勞將導(dǎo)致產(chǎn)品失效。如下圖

在功率模塊殼溫變化相對(duì)緩慢而變化幅度大的工作模式下，由于絕緣基板和銅底板的膨脹系數(shù)不同，絕緣基板和銅底板之間的焊錫層將產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變。

如果應(yīng)力一直重復(fù), 焊錫層將產(chǎn)生裂紋。如果裂紋擴(kuò)大到硅片的下方，熱阻增大將導(dǎo)致熱失控；或者熱阻增加引起DTj 增加導(dǎo)致功率循環(huán)壽命下降，并最終導(dǎo)致引線剝離失效 。如下圖

三菱IGBT功率模塊熱疲勞壽命（三菱提供）

功率器件的并聯(lián)使用

要實(shí)現(xiàn)功率器件的并聯(lián)使用，應(yīng)滿足兩個(gè)條件：

1、并聯(lián)使用功率器件的一致性好（要選用同一批次的）

2、其導(dǎo)通電阻或飽和壓降為正溫度系數(shù)

MOSFET的導(dǎo)通電阻都是正溫度系數(shù)的，很容易實(shí)現(xiàn)并聯(lián)使用

IGBT則不然，有的IGBT飽和壓降是負(fù)溫度系數(shù)的，有的IGBT飽和壓降是正溫度系數(shù)的。

負(fù)溫度系數(shù)飽和壓降的IGBT并聯(lián)使用難于均流，所以，不宜并聯(lián)使用。

正溫度系數(shù)飽和壓降的IGBT是可以并聯(lián)使用的，并且能夠達(dá)到很好的均流效果。

例如，INFINEON的FF450R17ME3，下圖是其飽和壓降的溫度特性，當(dāng)集電極電流大于100A時(shí)，飽和壓降有良好的正溫度系數(shù)。本人使用兩個(gè)模塊并聯(lián)，輸出總電流400A交流有效值，實(shí)測(cè)并聯(lián)模塊電流的不均勻度小于5％

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三菱的CM400DU-24NFH，該器件最大額定電流為400A，這是一個(gè)開關(guān)速度很快的IGBT，其飽和壓降比較大，一般應(yīng)用在工作頻率較高的地方，所以，總損耗較大，因此一般峰值電流在200A左右。從下圖可以清楚地看到，該IGBT集電極電流小于350A時(shí)，其飽和壓降為負(fù)溫度系數(shù)。

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