如何準(zhǔn)確選擇功率器件 - 全文

　　所謂功率半導(dǎo)體器件，以前也被稱為電力電子器件，簡單來說，就是進(jìn)行功率處理的，具有處理高電壓，大電流能力的半導(dǎo)體器件。其電壓處理范圍從幾十V~幾千V，電流能力最高可達(dá)幾千A。典型的功率處理，包括變頻、變壓、變流、功率管理等等。

　　早期的功率半導(dǎo)體器件包括：大功率二極管、晶閘管等等，主要用于工業(yè)和電力系統(tǒng)（正因如此，早期才被稱為電力電子器件）

　　后來，隨著以功率MOSFET器件為代表的新型功率半導(dǎo)體器件的迅速發(fā)展，現(xiàn)在功率半導(dǎo)體器件已經(jīng)非常廣泛， 在計(jì)算機(jī)、通行、消費(fèi)電子、汽車電子 為代表的4C行業(yè)（computer、communication、consumer electronics、cartronics），功率半導(dǎo)體器件可以說是越來越火，現(xiàn)在不是要節(jié)能環(huán)保嗎，所以就需要對電壓電流的運(yùn)用進(jìn)行有效的控制，這就與功率器件密不可分！ 功率管理集成電路（Power Management IC，也被稱為電源管理IC）已經(jīng)成為功率半導(dǎo)體器件的熱點(diǎn)，發(fā)展非常迅速噢！

　　如何正確選擇MOSFET管

　　隨著制造技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須跟上技術(shù)的發(fā)展步伐，才能為其設(shè)計(jì)挑選最合適的電子器件。MOSFET是電氣系統(tǒng)中的基本部件，工程師需要深入了解它的關(guān)鍵特性及指標(biāo)才能做出正確選擇。本文將討論如何根據(jù)RDS（ON）、熱性能、雪崩擊穿電壓及開關(guān)性能指標(biāo)來選擇正確的MOSFET。

　　MOSFET的選擇

　　MOSFET有兩大類型：N溝道和P溝道。在功率系統(tǒng)中，MOSFET可被看成電氣開關(guān)。當(dāng)在N溝道MOSFET的柵極和源極間加上正電壓時(shí)，其開關(guān)導(dǎo)通。導(dǎo)通時(shí)，電流可經(jīng)開關(guān)從漏極流向源極。漏極和源極之間存在一個(gè)內(nèi)阻，稱為導(dǎo)通電阻RDS（ON）。必須清楚MOSFET的柵極是個(gè)高阻抗端，因此，總是要在柵極加上一個(gè)電壓。如果柵極為懸空，器件將不能按設(shè)計(jì)意圖工作，并可能在不恰當(dāng)?shù)臅r(shí)刻導(dǎo)通或關(guān)閉，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生潛在的功率損耗。當(dāng)源極和柵極間的電壓為零時(shí)，開關(guān)關(guān)閉，而電流停止通過器件。雖然這時(shí)器件已經(jīng)關(guān)閉，但仍然有微小電流存在，這稱之為漏電流，即IDSS。

　　第一步：選用N溝道還是P溝道

　　為設(shè)計(jì)選擇正確器件的第一步是決定采用N溝道還是P溝道MOSFET。在典型的功率應(yīng)用中，當(dāng)一個(gè)MOSFET接地，而負(fù)載連接到干線電壓上時(shí)，該MOSFET就構(gòu)成了低壓側(cè)開關(guān)。在低壓側(cè)開關(guān)中，應(yīng)采用N溝道MOSFET，這是出于對關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]。當(dāng)MOSFET連接到總線及負(fù)載接地時(shí)，就要用高壓側(cè)開關(guān)。通常會在這個(gè)拓?fù)渲胁捎肞溝道MOSFET，這也是出于對電壓驅(qū)動的考慮。

　　要選擇適合應(yīng)用的器件，必須確定驅(qū)動器件所需的電壓，以及在設(shè)計(jì)中最簡易執(zhí)行的方法。下一步是確定所需的額定電壓，或者器件所能承受的最大電壓。額定電壓越大，器件的成本就越高。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，額定電壓應(yīng)當(dāng)大于干線電壓或總線電壓。這樣才能提供足夠的保護(hù)，使MOSFET不會失效。就選擇MOSFET而言，必須確定漏極至源極間可能承受的最大電壓，即最大VDS。知道MOSFET能承受的最大電壓會隨溫度而變化這點(diǎn)十分重要。設(shè)計(jì)人員必須在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)測試電壓的變化范圍。額定電壓必須有足夠的余量覆蓋這個(gè)變化范圍，確保電路不會失效。設(shè)計(jì)工程師需要考慮的其他安全因素包括由開關(guān)電子設(shè)備（如電機(jī)或變壓器）誘發(fā)的電壓瞬變。不同應(yīng)用的額定電壓也有所不同；通常，便攜式設(shè)備為20V、FPGA電源為20～30V、85～220VAC應(yīng)用為450～600V。

　　第二步：確定額定電流

　　第二步是選擇MOSFET的額定電流。視電路結(jié)構(gòu)而定，該額定電流應(yīng)是負(fù)載在所有情況下能夠承受的最大電流。與電壓的情況相似，設(shè)計(jì)人員必須確保所選的MOSFET能承受這個(gè)額定電流，即使在系統(tǒng)產(chǎn)生尖峰電流時(shí)。兩個(gè)考慮的電流情況是連續(xù)模式和脈沖尖峰。在連續(xù)導(dǎo)通模式下，MOSFET處于穩(wěn)態(tài)，此時(shí)電流連續(xù)通過器件。脈沖尖峰是指有大量電涌（或尖峰電流）流過器件。一旦確定了這些條件下的最大電流，只需直接選擇能承受這個(gè)最大電流的器件便可。

　　選好額定電流后，還必須計(jì)算導(dǎo)通損耗。在實(shí)際情況下，MOSFET并不是理想的器件，因?yàn)樵趯?dǎo)電過程中會有電能損耗，這稱之為導(dǎo)通損耗。MOSFET在“導(dǎo)通”時(shí)就像一個(gè)可變電阻，由器件的RDS（ON）所確定，并隨溫度而顯著變化。器件的功率耗損可由Iload2×RDS（ON）計(jì)算，由于導(dǎo)通電阻隨溫度變化，因此功率耗損也會隨之按比例變化。對MOSFET施加的電壓VGS越高，RDS（ON）就會越??；反之RDS（ON）就會越高。對系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說，這就是取決于系統(tǒng)電壓而需要折中權(quán)衡的地方。對便攜式設(shè)計(jì)來說，采用較低的電壓比較容易（較為普遍），而對于工業(yè)設(shè)計(jì)，可采用較高的電壓。注意RDS（ON）電阻會隨著電流輕微上升。關(guān)于RDS（ON）電阻的各種電氣參數(shù)變化可在制造商提供的技術(shù)資料表中查到。

　　技術(shù)對器件的特性有著重大影響，因?yàn)橛行┘夹g(shù)在提高最大VDS時(shí)往往會使RDS（ON）增大。對于這樣的技術(shù)，如果打算降低VDS和RDS（ON），那么就得增加晶片尺寸，從而增加與之配套的封裝尺寸及相關(guān)的開發(fā)成本。業(yè)界現(xiàn)有好幾種試圖控制晶片尺寸增加的技術(shù)，其中最主要的是溝道和電荷平衡技術(shù)。

　　在溝道技術(shù)中，晶片中嵌入了一個(gè)深溝，通常是為低電壓預(yù)留的，用于降低導(dǎo)通電阻RDS（ON）。為了減少最大VDS對RDS（ON）的影響，開發(fā)過程中采用了外延生長柱/蝕刻柱工藝。

　　第三步：確定熱要求

　　選擇MOSFET的下一步是計(jì)算系統(tǒng)的散熱要求。設(shè)計(jì)人員必須考慮兩種不同的情況，即最壞情況和真實(shí)情況。建議采用針對最壞情況的計(jì)算結(jié)果，因?yàn)檫@個(gè)結(jié)果提供更大的安全余量，能確保系統(tǒng)不會失效。在MOSFET的資料表上還有一些需要注意的測量數(shù)據(jù)；比如封裝器件的半導(dǎo)體結(jié)與環(huán)境之間的熱阻，以及最大的結(jié)溫。

　　器件的結(jié)溫等于最大環(huán)境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積（結(jié)溫=最大環(huán)境溫度+［熱阻×功率耗散］）。根據(jù)這個(gè)方程可解出系統(tǒng)的最大功率耗散，即按定義相等于I2×RDS（ON）。由于設(shè)計(jì)人員已確定將要通過器件的最大電流，因此可以計(jì)算出不同溫度下的RDS（ON）。值得注意的是，在處理簡單熱模型時(shí)，設(shè)計(jì)人員還必須考慮半導(dǎo)體結(jié)/器件外殼及外殼/環(huán)境的熱容量；即要求印刷電路板和封裝不會立即升溫。

　　雪崩擊穿是指半導(dǎo)體器件上的反向電壓超過最大值，并形成強(qiáng)電場使器件內(nèi)電流增加。該電流將耗散功率，使器件的溫度升高，而且有可能損壞器件。半導(dǎo)體公司都會對器件進(jìn)行雪崩測試，計(jì)算其雪崩電壓，或?qū)ζ骷姆€(wěn)健性進(jìn)行測試。計(jì)算額定雪崩電壓有兩種方法；一是統(tǒng)計(jì)法，另一是熱計(jì)算。而熱計(jì)算因?yàn)檩^為實(shí)用而得到廣泛采用。除計(jì)算外，技術(shù)對雪崩效應(yīng)也有很大影響。例如，晶片尺寸的增加會提高抗雪崩能力，最終提高器件的穩(wěn)健性。對最終用戶而言，這意味著要在系統(tǒng)中采用更大的封裝件。

　　第四步：決定開關(guān)性能

　　選擇MOSFET的最后一步是決定MOSFET的開關(guān)性能。影響開關(guān)性能的參數(shù)有很多，但最重要的是柵極/漏極、柵極/源極及漏極/源極電容。這些電容會在器件中產(chǎn)生開關(guān)損耗，因?yàn)樵诿看伍_關(guān)時(shí)都要對它們充電。MOSFET的開關(guān)速度因此被降低，器件效率也下降。為計(jì)算開關(guān)過程中器件的總損耗，設(shè)計(jì)人員必須計(jì)算開通過程中的損耗（Eon）和關(guān)閉過程中的損耗（Eoff）。MOSFET開關(guān)的總功率可用如下方程表達(dá)：Psw=（Eon+Eoff）×開關(guān)頻率。而柵極電荷（Qgd）對開關(guān)性能的影響最大。

　　基于開關(guān)性能的重要性，新的技術(shù)正在不斷開發(fā)以解決這個(gè)開關(guān)問題。芯片尺寸的增加會加大柵極電荷；而這會使器件尺寸增大。為了減少開關(guān)損耗，新的技術(shù)如溝道厚底氧化已經(jīng)應(yīng)運(yùn)而生，旨在減少柵極電荷。

　　通過了解MOSFET的類型及了解和決定它們的重要性能特點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員就能針對特定設(shè)計(jì)選擇正確的MOSFET。由于MOSFET是電氣系統(tǒng)中最基本的部件之一，選擇正確的MOSFET對整個(gè)設(shè)計(jì)是否成功起著關(guān)鍵的作用。

　　IGBT的正確選擇和使用

　　本文研究了逆變器核心開關(guān)器件IGBT主要參數(shù)的選擇， 分析三相逆變電路拓?fù)浼肮β势骷蘒GBT的應(yīng)用特點(diǎn)，根據(jù)其特點(diǎn)選擇合適額定電壓，額定電流和開關(guān)參數(shù)。以及優(yōu)化設(shè)計(jì)柵電壓，克服Miller效應(yīng)的影響，確保在IGBT應(yīng)用過程中的可靠性。

　　0 前言

　　伴隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和低碳經(jīng)濟(jì)的要求，逆變器在各行各業(yè)中應(yīng)用飛速發(fā)展，而IGBT是目前逆變器中使用的主流開關(guān)器件，也在逆變結(jié)構(gòu)中起核心作用。采用IGBT進(jìn)行功率變換，能夠提高用電效率，改善用電質(zhì)量。新型IGBT逆變技術(shù)是推動我國低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略的突破口，同時(shí)緩解能源，資源和環(huán)境等方面的壓力，加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長方式，促進(jìn)信息化帶動工業(yè)化， 提高國家經(jīng)濟(jì)安全性，起著重要作用，因此，IGBT在逆變器中的正確選擇與使用，有著舉足輕重的作用。逆變技術(shù)對IGBT的參數(shù)要求并不是一成不變的，逆變技術(shù)已從硬開關(guān)技術(shù)，移相軟開關(guān)技術(shù)發(fā)展到雙零軟開關(guān)技術(shù)，各個(gè)技術(shù)之間存在相輔相成的紐帶關(guān)系， 同時(shí)具有各自的應(yīng)用電路要求特點(diǎn)，因而，對開關(guān)器件的IGBT的要求各不相同。而IGBT正確選擇與使用尤為重要。

　　1 IGBT額定電壓的選擇

　　三相380V輸入電壓經(jīng)過整流和濾波后，直流母線電壓的最大值：

　　在開關(guān)工作的條件下，fGBT的額定電壓一般要求高于直流母線電壓的兩倍，根據(jù)IGBT規(guī)格的電壓等級，選擇1 200V電壓等級的IGBT。

　　2 IGBT額定電流的選擇

　　以30kW變頻器為例，負(fù)載電流約為79A，由于負(fù)載電氣啟動或加速時(shí)，電流過載，一般要求1分鐘的時(shí)間內(nèi)，承受1.5倍的過流，擇最大負(fù)載電流約為119A ，建議選擇150A電流等級的IGBT。

　　3 IGBT開關(guān)參數(shù)的選擇

　　變頻器的開關(guān)頻率一般小于10 kH Z，而在實(shí)際工作的過程中，fGBT的通態(tài)損耗所占比重比較大，建議選擇低通態(tài)型IGBT，以30 kW ，逆變頻率小于10kH z的變頻器為例，選擇IGBT的開關(guān)參數(shù)見表1。

　　4 影響IGBT可靠性因素

　　1）柵電壓。

　　IGBT工作時(shí)，必須有正向柵電壓，常用的柵驅(qū)動電壓值為15～187，最高用到20V， 而棚電壓與柵極電阻Rg有很大關(guān)系，在設(shè)計(jì)IGBT驅(qū)動電路時(shí)， 參考IGBT Datasheet中的額定Rg值，設(shè)計(jì)合適驅(qū)動參數(shù)，保證合理正向柵電壓。因?yàn)镮GBT的工作狀態(tài)與正向棚電壓有很大關(guān)系，正向柵電壓越高，開通損耗越小，正向壓降也咯小。

　　在橋式電路和大功率應(yīng)用情況下，為了避免干擾，在IGBT關(guān)斷時(shí)，柵極加負(fù)電壓，一般在-5- 15V，保證IGBT的關(guān)斷，避免Miller效應(yīng)影響。

　　2）Miller效應(yīng)。

　　為了降低Miller效應(yīng)的影響，在IGBT柵驅(qū)動電路中采用改進(jìn)措施：（1）開通和關(guān)斷采用不同柵電阻Rg，on和Rg，off，確保IGBT的有效開通和關(guān)斷；（2）柵源間加電容c，對Miller效應(yīng)產(chǎn)生的電壓進(jìn)行能量泄放；（3）關(guān)斷時(shí)加負(fù)柵壓。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，采用三者合理組合，對改進(jìn)Mille r效應(yīng)的效果更佳。
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? ? ? ? ?結(jié)論

　?。?）IGBT是逆變器主要使用的主要功率開關(guān)器件，也是逆變器中主要工作器件，合理選擇IGBT是保證IGBT可靠工作的前提，同時(shí)，要根據(jù)三相逆變電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，選擇低通態(tài)型IGBT為佳。

　　主要參數(shù)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

　　以上參數(shù)主要決定了所選擇管子的規(guī)格。其中耐壓、耐流和耐最大沖擊電流能力都需要特別關(guān)注，特別是電源中有開機(jī)的inrush current一般會很大，需要較大的ICM.驅(qū)動電壓多少我不用多說了，一定溫度下電流通流能力是做一個(gè)很重要的參數(shù)，直接關(guān)系到你做halt試驗(yàn)結(jié)果。

　　PD @ TC = 25°C

　　PD @ TC = 100°C

　　Rθjc（ IGBT）

　　Rθjc（Diode）

　　Rθcs（Case-to-Sink.。.）

　　Rθja（Junction-to-Ambient.。.）

　　以上直接決定擬所選擇管子的熱設(shè)計(jì)，知道以上參數(shù)可以推算出junction的溫度，也就是溫度最高點(diǎn)的溫度

　　VCE（on）

　　VFM

　　Diode Forward Voltage Drop

　　Eon

　　Eoff

　　Etot

　　Eon

　　Eoff

　　Etot

　　Td（on）

　　Tr

　　Td（off）

　　Tf

　　Trr

　　Irr

　　以上參數(shù)直接關(guān)系到你計(jì)算管子的損耗計(jì)算，是前期研發(fā)的重要參數(shù)，直接關(guān)系到你估計(jì)的損耗，接合熱阻等概念，直接可以大概估計(jì)你所選擇管子的熱設(shè)計(jì)如何選擇。

　　最后當(dāng)然還有個(gè)重要的參數(shù)就是價(jià)格了。

　　以上我列出了的igbt 和mosfet的項(xiàng)目中帶有體內(nèi)二極管，如果沒有體內(nèi)二極管的管子，你當(dāng)然應(yīng)知道該如何處理

　?。?）根據(jù)IGBT的棚特性。合理設(shè)計(jì)柵驅(qū)動結(jié)構(gòu)， 保證IGBT有效的開通和關(guān)斷， 降低Miller效應(yīng)的影響。
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