【原创】变流器的核心器件－MOSFET和IGBT讨论

MOSFET和IGBT是当前变流器中应用最广泛，最重要的两类核心器件。MOSFET主要应用在低压和中压（中小功率），IGBT主要应用在高压和中压（大功率）领域。

关于MOSFET已经有很充分的精辟的论述，在此不再重复，只对个别问题作一点补充。IGBT的讨论还较少，因此，是本帖的主要讨论对象。

首先来说MOSFET

提一个基础性问题：驱动MOSFET导通的最佳栅电压是多少伏？

绝大多数人的回答是：15V。这个答案不能说错，但是，这活干得太粗。

MOSFET的导通电阻是随栅电压的提高而下降，当栅电压达到一定值时，导通电阻就基本不会再降了，暂且称之为“充分导通”，一般认为这个电压是低于15V的。

实际上，不同耐压的MOSFET达到充分导通的栅电压是不同的。基本规律是：耐压越高的MOSFET，达到充分导通的栅电压越低；耐压越低的MOSFET，达到充分导通的栅电压越高。我查阅了各种耐压MOSFET的VGS－RDS曲线，得到的结论是：耐压200V的MOSFET达到充分导通的栅电压＞16V；耐压500V的MOSFET达到充分导通的栅电压＞12V；耐压1000V的MOSFET达到充分导通的栅电压＞8V。因此，建议：耐压200V及以下的MOSFET栅驱动电压＝17－18V；耐压500V的MOSFET栅驱动电压＝15V；耐压1000V的MOSFET栅驱动电压＝12V。

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840318028

LV.1

2010-08-16 23:36

强烈希望此帖能火起来！另期待楼主继续！

让你记得我的好

LV.10

2010-08-16 23:48

嗯，好呀，又一篇原创！

spiker

LV.1

2010-08-17 09:10

MARK

LV.1

2010-08-17 09:20

学习中。。。。。。。

世界真奇妙

2010-08-17 22:34

说了MOSFET的驱动电压，再来说说IGBT的驱动电压，IGBT的驱动电压为15±1.5V，与IGBT的耐压无关。驱动电压低于13.5V，IGBT的饱和压降会明显增高；高于16.5V，既没有必要，还可能带来不利的影响。

某些用IGBT作为主功率器件的变流器，IGBT的输出直接与外部负载连接，例如驱动电机调速的变频器，司服系统等等。一旦负载短路，就会造成IGBT极为严重的过流，此时IGBT会有多大的电流呢？大约是IGBT额定电流的几倍到十几倍，过流的严重程度与IGBT的栅驱动电压相关，即，当IGBT的驱动电压在14V以下时，其短路电流就较小，约是其额定电流的几倍；当IGBT的驱动电压在16V以上时，其短路电流就很大，约是其额定电流的十几倍，显然，这么大的短路电流，对IGBT极具破坏性。虽然，IGBT号称有10微秒的抗短路能力，十几倍的额定电流也是难于承受的，我的经验是，最多只能承受一次，第二次就玩完。因此，建议，如果有条件严格控制IGBT的驱动电压的话，此类变流器IGBT的栅电压为14.5－15.5V为宜。

贴片机

LV.8

2010-08-18 08:39

学习

lingqidian

LV.4

2010-08-18 11:25

@世界真奇妙

说了MOSFET的驱动电压，再来说说IGBT的驱动电压，IGBT的驱动电压为15±1.5V，与IGBT的耐压无关。驱动电压低于13.5V，IGBT的饱和压降会明显增高；高于16.5V，既没有必要，还可能带来不利的影响。某些用IGBT作为主功率器件的变流器，IGBT的输出直接与外部负载连接，例如驱动电机调速的变频器，司服系统等等。一旦负载短路，就会造成IGBT极为严重的过流，此时IGBT会有多大的电流呢？大约是IGBT额定电流的几倍到十几倍，过流的严重程度与IGBT的栅驱动电压相关，即，当IGBT的驱动电压在14V以下时，其短路电流就较小，约是其额定电流的几倍；当IGBT的驱动电压在16V以上时，其短路电流就很大，约是其额定电流的十几倍，显然，这么大的短路电流，对IGBT极具破坏性。虽然，IGBT号称有10微秒的抗短路能力，十几倍的额定电流也是难于承受的，我的经验是，最多只能承受一次，第二次就玩完。因此，建议，如果有条件严格控制IGBT的驱动电压的话，此类变流器IGBT的栅电压为14.5－15.5V为宜。

很好，软保护的原理就是逐渐降低IGBT栅极驱动电压，最后完全关断。

fly

2010-08-18 11:48

@世界真奇妙

学习了. 不错.

世界真奇妙

2010-08-22 18:30

IGBT的主要技术参数之最大额定电流的定义：在一定的壳温条件下，可以连续通过集电极的最大电流（直流）。

我们必须关注的是：最大额定电流指的是直流，也就是说，不能有开关动作，而且，栅电压为15V，即IGBT在良好导通的情况下。此时结温不高于规格书中的最高值。

而实际应用时总是有开关动作的，开关时的瞬时功耗远远大于导通时的瞬时功耗，一般正常工作时，导通时的峰值电流应小于其最大额定电流，应该小多少为合理呢？这个问题不能一概而论。这与所选的IGBT的品牌，开关速度，工作频率，母线电压，外壳温度等等多种因素有关。最好向原生产商的技术支持咨询。

我曾经向三菱作过咨询，采用三菱的IGBT模块，设计AC380V的通用变频器，工作频率6－7KHZ，选择相应适用的系列型号。变频器输出额定电流的峰值应该设计为IGBT最大额定电流的1/2，通用变频器一般允许最大150％过载，此时IGBT的峰值电流为IGBT最大额定电流的3/4。

世界真奇妙

2010-08-22 22:01

IGBT模块的寿命

1: 功率循环寿命：外壳温度变化很小但结温变化频繁时的工作模式下的寿命

2: 热循环寿命：系统从启动到停止期间温度相对缓慢变化的工作模式下的寿命

下图是功率模块的典型结构

当功率模块结温变化时, 由于膨胀系数的不同，在铝线和硅片间、硅片和绝缘基片间将产生应力应变，如果应力一直重复，结合部的热疲劳将导致产品失效。如下图

在功率模块壳温变化相对缓慢而变化幅度大的工作模式下，由于绝缘基板和铜底板的膨胀系数不同，绝缘基板和铜底板之间的焊锡层将产生应力应变。

如果应力一直重复, 焊锡层将产生裂纹。如果裂纹扩大到硅片的下方，热阻增大将导致热失控；或者热阻增加引起DTj 增加导致功率循环寿命下降，并最终导致引线剥离失效。如下图

世界真奇妙

2010-08-22 22:12

@世界真奇妙

IGBT模块的寿命 1:功率循环寿命：外壳温度变化很小但结温变化频繁时的工作模式下的寿命 2:热循环寿命：系统从启动到停止期间温度相对缓慢变化的工作模式下的寿命下图是功率模块的典型结构[图片] 当功率模块结温变化时,由于膨胀系数的不同，在铝线和硅片间、硅片和绝缘基片间将产生应力应变，如果应力一直重复，结合部的热疲劳将导致产品失效。如下图[图片] 在功率模块壳温变化相对缓慢而变化幅度大的工作模式下，由于绝缘基板和铜底板的膨胀系数不同，绝缘基板和铜底板之间的焊锡层将产生应力应变。如果应力一直重复,焊锡层将产生裂纹。如果裂纹扩大到硅片的下方，热阻增大将导致热失控；或者热阻增加引起DTj增加导致功率循环寿命下降，并最终导致引线剥离失效。如下图[图片]

三菱IGBT功率模块热疲劳寿命（三菱提供）

cheng111

LV.11

2010-08-23 09:23

@世界真奇妙

三菱IGBT功率模块热疲劳寿命（三菱提供）[图片]

好贴留印...了解

世界真奇妙

2010-08-27 21:38

功率器件的并联使用

要实现功率器件的并联使用，应满足两个条件：

1、并联使用功率器件的一致性好（要选用同一批次的）

2、其导通电阻或饱和压降为正温度系数

MOSFET的导通电阻都是正温度系数的，很容易实现并联使用

IGBT则不然，有的IGBT饱和压降是负温度系数的，有的IGBT饱和压降是正温度系数的。

负温度系数饱和压降的IGBT并联使用难于均流，所以，不宜并联使用。

正温度系数饱和压降的IGBT是可以并联使用的，并且能够达到很好的均流效果。

例如，INFINEON的FF450R17ME3，下图是其饱和压降的温度特性，当集电极电流大于100A时，饱和压降有良好的正温度系数。本人使用两个模块并联，输出总电流400A交流有效值，实测并联模块电流的不均匀度小于5％

贴片机

LV.8

2010-08-27 21:55

@世界真奇妙

功率器件的并联使用要实现功率器件的并联使用，应满足两个条件：1、并联使用功率器件的一致性好（要选用同一批次的）2、其导通电阻或饱和压降为正温度系数MOSFET的导通电阻都是正温度系数的，很容易实现并联使用IGBT则不然，有的IGBT饱和压降是负温度系数的，有的IGBT饱和压降是正温度系数的。负温度系数饱和压降的IGBT并联使用难于均流，所以，不宜并联使用。正温度系数饱和压降的IGBT是可以并联使用的，并且能够达到很好的均流效果。例如，INFINEON的FF450R17ME3，下图是其饱和压降的温度特性，当集电极电流大于100A时，饱和压降有良好的正温度系数。本人使用两个模块并联，输出总电流400A交流有效值，实测并联模块电流的不均匀度小于5％ [图片]

能不能举几个负温度系数的IGBT型号呀？我好像看到的都是正温度系数的IGBT。

lingqidian

LV.4

2010-08-28 11:23

@世界真奇妙

IGBT的主要技术参数之最大额定电流的定义：在一定的壳温条件下，可以连续通过集电极的最大电流（直流）。我们必须关注的是：最大额定电流指的是直流，也就是说，不能有开关动作，而且，栅电压为15V，即IGBT在良好导通的情况下。此时结温不高于规格书中的最高值。而实际应用时总是有开关动作的，开关时的瞬时功耗远远大于导通时的瞬时功耗，一般正常工作时，导通时的峰值电流应小于其最大额定电流，应该小多少为合理呢？这个问题不能一概而论。这与所选的IGBT的品牌，开关速度，工作频率，母线电压，外壳温度等等多种因素有关。最好向原生产商的技术支持咨询。我曾经向三菱作过咨询，采用三菱的IGBT模块，设计AC380V的通用变频器，工作频率6－7KHZ，选择相应适用的系列型号。变频器输出额定电流的峰值应该设计为IGBT最大额定电流的1/2，通用变频器一般允许最大150％过载，此时IGBT的峰值电流为IGBT最大额定电流的3/4。

请教楼主，突加载与短路时电流冲击很大，对于一些特殊负载，比如灯泡冷态，初始电阻很小，冲击电流会非常大，相当于短路，这种情况如何设计区别短路？

如果限制了电流的话，可能实际应用中瞬态指标不能满足（因为会掉电），如果不限制的话是不是只能选择好一点的管子？