如何准确选择功率器件 - 全文

　　所谓功率半导体器件，以前也被称为电力电子器件，简单来说，就是进行功率处理的，具有处理高电压，大电流能力的半导体器件。其电压处理范围从几十V~几千V，电流能力最高可达几千A。典型的功率处理，包括变频、变压、变流、功率管理等等。

　　早期的功率半导体器件包括：大功率二极管、晶闸管等等，主要用于工业和电力系统（正因如此，早期才被称为电力电子器件）

　　后来，随着以功率MOSFET器件为代表的新型功率半导体器件的迅速发展，现在功率半导体器件已经非常广泛， 在计算机、通行、消费电子、汽车电子 为代表的4C行业（computer、communication、consumer electronics、cartronics），功率半导体器件可以说是越来越火，现在不是要节能环保吗，所以就需要对电压电流的运用进行有效的控制，这就与功率器件密不可分！ 功率管理集成电路（Power Management IC，也被称为电源管理IC）已经成为功率半导体器件的热点，发展非常迅速噢！

　　如何正确选择MOSFET管

　　随着制造技术的发展和进步，系统设计人员必须跟上技术的发展步伐，才能为其设计挑选最合适的电子器件。MOSFET是电气系统中的基本部件，工程师需要深入了解它的关键特性及指标才能做出正确选择。本文将讨论如何根据RDS（ON）、热性能、雪崩击穿电压及开关性能指标来选择正确的MOSFET。

　　MOSFET的选择

　　MOSFET有两大类型：N沟道和P沟道。在功率系统中，MOSFET可被看成电气开关。当在N沟道MOSFET的栅极和源极间加上正电压时，其开关导通。导通时，电流可经开关从漏极流向源极。漏极和源极之间存在一个内阻，称为导通电阻RDS（ON）。必须清楚MOSFET的栅极是个高阻抗端，因此，总是要在栅极加上一个电压。如果栅极为悬空，器件将不能按设计意图工作，并可能在不恰当的时刻导通或关闭，导致系统产生潜在的功率损耗。当源极和栅极间的电压为零时，开关关闭，而电流停止通过器件。虽然这时器件已经关闭，但仍然有微小电流存在，这称之为漏电流，即IDSS。

　　第一步：选用N沟道还是P沟道

　　为设计选择正确器件的第一步是决定采用N沟道还是P沟道MOSFET。在典型的功率应用中，当一个MOSFET接地，而负载连接到干线电压上时，该MOSFET就构成了低压侧开关。在低压侧开关中，应采用N沟道MOSFET，这是出于对关闭或导通器件所需电压的考虑。当MOSFET连接到总线及负载接地时，就要用高压侧开关。通常会在这个拓扑中采用P沟道MOSFET，这也是出于对电压驱动的考虑。

　　要选择适合应用的器件，必须确定驱动器件所需的电压，以及在设计中最简易执行的方法。下一步是确定所需的额定电压，或者器件所能承受的最大电压。额定电压越大，器件的成本就越高。根据实践经验，额定电压应当大于干线电压或总线电压。这样才能提供足够的保护，使MOSFET不会失效。就选择MOSFET而言，必须确定漏极至源极间可能承受的最大电压，即最大VDS。知道MOSFET能承受的最大电压会随温度而变化这点十分重要。设计人员必须在整个工作温度范围内测试电压的变化范围。额定电压必须有足够的余量覆盖这个变化范围，确保电路不会失效。设计工程师需要考虑的其他安全因素包括由开关电子设备（如电机或变压器）诱发的电压瞬变。不同应用的额定电压也有所不同；通常，便携式设备为20V、FPGA电源为20～30V、85～220VAC应用为450～600V。

　　第二步：确定额定电流

　　第二步是选择MOSFET的额定电流。视电路结构而定，该额定电流应是负载在所有情况下能够承受的最大电流。与电压的情况相似，设计人员必须确保所选的MOSFET能承受这个额定电流，即使在系统产生尖峰电流时。两个考虑的电流情况是连续模式和脉冲尖峰。在连续导通模式下，MOSFET处于稳态，此时电流连续通过器件。脉冲尖峰是指有大量电涌（或尖峰电流）流过器件。一旦确定了这些条件下的最大电流，只需直接选择能承受这个最大电流的器件便可。

　　选好额定电流后，还必须计算导通损耗。在实际情况下，MOSFET并不是理想的器件，因为在导电过程中会有电能损耗，这称之为导通损耗。MOSFET在“导通”时就像一个可变电阻，由器件的RDS（ON）所确定，并随温度而显著变化。器件的功率耗损可由Iload2×RDS（ON）计算，由于导通电阻随温度变化，因此功率耗损也会随之按比例变化。对MOSFET施加的电压VGS越高，RDS（ON）就会越小；反之RDS（ON）就会越高。对系统设计人员来说，这就是取决于系统电压而需要折中权衡的地方。对便携式设计来说，采用较低的电压比较容易（较为普遍），而对于工业设计，可采用较高的电压。注意RDS（ON）电阻会随着电流轻微上升。关于RDS（ON）电阻的各种电气参数变化可在制造商提供的技术资料表中查到。

　　技术对器件的特性有着重大影响，因为有些技术在提高最大VDS时往往会使RDS（ON）增大。对于这样的技术，如果打算降低VDS和RDS（ON），那么就得增加晶片尺寸，从而增加与之配套的封装尺寸及相关的开发成本。业界现有好几种试图控制晶片尺寸增加的技术，其中最主要的是沟道和电荷平衡技术。

　　在沟道技术中，晶片中嵌入了一个深沟，通常是为低电压预留的，用于降低导通电阻RDS（ON）。为了减少最大VDS对RDS（ON）的影响，开发过程中采用了外延生长柱/蚀刻柱工艺。

　　第三步：确定热要求

　　选择MOSFET的下一步是计算系统的散热要求。设计人员必须考虑两种不同的情况，即最坏情况和真实情况。建议采用针对最坏情况的计算结果，因为这个结果提供更大的安全余量，能确保系统不会失效。在MOSFET的资料表上还有一些需要注意的测量数据；比如封装器件的半导体结与环境之间的热阻，以及最大的结温。

　　器件的结温等于最大环境温度加上热阻与功率耗散的乘积（结温=最大环境温度+［热阻×功率耗散］）。根据这个方程可解出系统的最大功率耗散，即按定义相等于I2×RDS（ON）。由于设计人员已确定将要通过器件的最大电流，因此可以计算出不同温度下的RDS（ON）。值得注意的是，在处理简单热模型时，设计人员还必须考虑半导体结/器件外壳及外壳/环境的热容量；即要求印刷电路板和封装不会立即升温。

　　雪崩击穿是指半导体器件上的反向电压超过最大值，并形成强电场使器件内电流增加。该电流将耗散功率，使器件的温度升高，而且有可能损坏器件。半导体公司都会对器件进行雪崩测试，计算其雪崩电压，或对器件的稳健性进行测试。计算额定雪崩电压有两种方法；一是统计法，另一是热计算。而热计算因为较为实用而得到广泛采用。除计算外，技术对雪崩效应也有很大影响。例如，晶片尺寸的增加会提高抗雪崩能力，最终提高器件的稳健性。对最终用户而言，这意味着要在系统中采用更大的封装件。

　　第四步：决定开关性能

　　选择MOSFET的最后一步是决定MOSFET的开关性能。影响开关性能的参数有很多，但最重要的是栅极/漏极、栅极/源极及漏极/源极电容。这些电容会在器件中产生开关损耗，因为在每次开关时都要对它们充电。MOSFET的开关速度因此被降低，器件效率也下降。为计算开关过程中器件的总损耗，设计人员必须计算开通过程中的损耗（Eon）和关闭过程中的损耗（Eoff）。MOSFET开关的总功率可用如下方程表达：Psw=（Eon+Eoff）×开关频率。而栅极电荷（Qgd）对开关性能的影响最大。

　　基于开关性能的重要性，新的技术正在不断开发以解决这个开关问题。芯片尺寸的增加会加大栅极电荷；而这会使器件尺寸增大。为了减少开关损耗，新的技术如沟道厚底氧化已经应运而生，旨在减少栅极电荷。

　　通过了解MOSFET的类型及了解和决定它们的重要性能特点，设计人员就能针对特定设计选择正确的MOSFET。由于MOSFET是电气系统中最基本的部件之一，选择正确的MOSFET对整个设计是否成功起着关键的作用。

　　IGBT的正确选择和使用

　　本文研究了逆变器核心开关器件IGBT主要参数的选择， 分析三相逆变电路拓扑及功率器件IGBT的应用特点，根据其特点选择合适额定电压，额定电流和开关参数。以及优化设计栅电压，克服Miller效应的影响，确保在IGBT应用过程中的可靠性。

　　0 前言

　　伴随科学技术的发展和低碳经济的要求，逆变器在各行各业中应用飞速发展，而IGBT是目前逆变器中使用的主流开关器件，也在逆变结构中起核心作用。采用IGBT进行功率变换，能够提高用电效率，改善用电质量。新型IGBT逆变技术是推动我国低碳经济发展战略的突破口，同时缓解能源，资源和环境等方面的压力，加快转变经济增长方式，促进信息化带动工业化， 提高国家经济安全性，起着重要作用，因此，IGBT在逆变器中的正确选择与使用，有着举足轻重的作用。逆变技术对IGBT的参数要求并不是一成不变的，逆变技术已从硬开关技术，移相软开关技术发展到双零软开关技术，各个技术之间存在相辅相成的纽带关系， 同时具有各自的应用电路要求特点，因而，对开关器件的IGBT的要求各不相同。而IGBT正确选择与使用尤为重要。

　　1 IGBT额定电压的选择

　　三相380V输入电压经过整流和滤波后，直流母线电压的最大值：

　　

　　在开关工作的条件下，fGBT的额定电压一般要求高于直流母线电压的两倍，根据IGBT规格的电压等级，选择1 200V电压等级的IGBT。

　　2 IGBT额定电流的选择

　　以30kW变频器为例，负载电流约为79A，由于负载电气启动或加速时，电流过载，一般要求1分钟的时间内，承受1.5倍的过流，择最大负载电流约为119A ，建议选择150A电流等级的IGBT。

　　3 IGBT开关参数的选择

　　变频器的开关频率一般小于10 kH Z，而在实际工作的过程中，fGBT的通态损耗所占比重比较大，建议选择低通态型IGBT，以30 kW ，逆变频率小于10kH z的变频器为例，选择IGBT的开关参数见表1。

　　

　　4 影响IGBT可靠性因素

　　1）栅电压。

　　IGBT工作时，必须有正向栅电压，常用的栅驱动电压值为15～187，最高用到20V， 而棚电压与栅极电阻Rg有很大关系，在设计IGBT驱动电路时， 参考IGBT Datasheet中的额定Rg值，设计合适驱动参数，保证合理正向栅电压。因为IGBT的工作状态与正向棚电压有很大关系，正向栅电压越高，开通损耗越小，正向压降也咯小。

　　在桥式电路和大功率应用情况下，为了避免干扰，在IGBT关断时，栅极加负电压，一般在-5- 15V，保证IGBT的关断，避免Miller效应影响。

　　2）Miller效应。

　　为了降低Miller效应的影响，在IGBT栅驱动电路中采用改进措施：（1）开通和关断采用不同栅电阻Rg，on和Rg，off，确保IGBT的有效开通和关断；（2）栅源间加电容c，对Miller效应产生的电压进行能量泄放；（3）关断时加负栅压。在实际设计中，采用三者合理组合，对改进Mille r效应的效果更佳。
        
         结论

　　（1）IGBT是逆变器主要使用的主要功率开关器件，也是逆变器中主要工作器件，合理选择IGBT是保证IGBT可靠工作的前提，同时，要根据三相逆变电路结构的特点，选择低通态型IGBT为佳。

　　主要参数如下

　　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

　　以上参数主要决定了所选择管子的规格。其中耐压、耐流和耐最大冲击电流能力都需要特别关注，特别是电源中有开机的inrush current一般会很大，需要较大的ICM.驱动电压多少我不用多说了，一定温度下电流通流能力是做一个很重要的参数，直接关系到你做halt试验结果。

　　PD @ TC = 25°C

　　PD @ TC = 100°C

　　Rθjc（ IGBT）

　　Rθjc（Diode）

　　Rθcs（Case-to-Sink.。.）

　　Rθja（Junction-to-Ambient.。.）

　　以上直接决定拟所选择管子的热设计，知道以上参数可以推算出junction的温度，也就是温度最高点的温度

　　VCE（on）

　　VFM

　　Diode Forward Voltage Drop

　　Eon

　　Eoff

　　Etot

　　Eon

　　Eoff

　　Etot

　　Td（on）

　　Tr

　　Td（off）

　　Tf

　　Trr

　　Irr

　　以上参数直接关系到你计算管子的损耗计算，是前期研发的重要参数，直接关系到你估计的损耗，接合热阻等概念，直接可以大概估计你所选择管子的热设计如何选择。

　　最后当然还有个重要的参数就是价格了。

　　以上我列出了的igbt 和mosfet的项目中带有体内二极管，如果没有体内二极管的管子，你当然应知道该如何处理

　　（2）根据IGBT的棚特性。合理设计栅驱动结构， 保证IGBT有效的开通和关断， 降低Miller效应的影响。