IGBT和MOSFET功率模块-全本B.pdf

应用指南
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雪崩击穿
反拘恢电流
Ves (50 VDIV
404/Div)
Nps (40 V/ Di
ip(10 A/Div)
Por(1 kw/Di
r(2 kw/ Di
0, 1 HS/ Div
开通
0, 2 WS /Div
关断
ic(20 A/Di
(200W/Div)
Ve(200V/Div
ic(20 A Di
Prl(20 KW/ Piv)
(20 KW/Div)
0, 2 us/ Div
开通
0.2 us/Div
关断
图32开关过程的实汎曲线(阻感负载、硬开关
a)功率MOSI模块b) IGBT模块
若要定量分析电流和电压的特性曲线,请参阅1.2.3节中针对图1.11的
说明
因为开关损耗随开关频率的上升而呈比例増加,所以它成为限制开关频
率的主要因素
其他的限制性因素可以是品体管的开通和关断延迟吋间tao、,ta、续流
二极管的反向恢复时间、驱动功率(随开关频率成比例增加)、作用于驱动、
互锁、测量、保护以及监视环节所需的最小开通、关断以及死区时间,见
3.5.1至3.5.4节
若采用了被动网络(吸收电路)来转移开关损耗或吸收过电压,则吸收
电路在缓冲开关过程之后的反向充电时间应被视作死区时间,见3.6和
3.8章
MOSFET和IGBT功率模块的开关时问大约在几十到几百纳秒之间。但
尤其是在高电压和硬开关情况下,实际可达的开关频率往往小于理论值,究
其原因,是因为开关速度被下列因素所决定
1.关断速度,由允许的开关过电压所限制
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2.开通速度,由允许的电流峰值(负载电流续流二极管依赖于di/dt的
反向恢复电流)所限制。
另外,特别是对于大功率范围内的品体管来说,过于陡峭的dvlt和di
dt值可能会引起电磁干扰,或在某些特定的负载(机器)中引发dv/dt问题。
因此,在决定开关频率和开关时间时,无论如何都要从尽可能满足各方
面的要求之中寻找一个最佳的平衡点。例如;应用方面的考虑(如开关频率
在听力范围之外)、开关时间与开关损耗、散热条件以及抗电磁干扰的能力
以下为标准模块所能够采用的开关频率的推荐值,前提是模块的性能能
够被充分地利用
硬开关
MOSFET模块
低截止电压
至250kHz
高截止电压
至100kIHz
IGBT模块
600V
至30kHz
1200V
至20kH
1700V
至10kHz
3300V
至3kHz
软开关
MOSFET模块
低截止电压
至500kHz
高截止电压
至250kHz
IGBT模块
至150kHz
对于为快速开关而特别设计的模块来说,它们可以达到更高的开关频率。
传热性能
3.2.1功耗的平衡
3.2.1.1单项功耗和总功耗
导论
在3.2章中,所有的讲述都是有关IGBT模块的。但所有的讨论和计算
也同样适用于 MOSFET模块,前提是将所有的下标符号做相应的代换
本章将重点讨论电压型的硬开关变流器
在电力电子应用中,IGBT和二极管主要工作在开关状态,并周期性地经
历各种静态和动态的状态。而在这每一个状态中,都会产生一部分功率损耗
或能量损耗。这些功率损耗相加,即为开关器件的总功耗。它使器件发热
因此,在应用半导体器件吋。应使变流器在任一运行状态下均不得超过由制
造商所给出的最大允许结温(对于砫元件来说T=150C)。
应用指南
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图3.3列出了器件在开关运行状态下各项可能发生的功耗。
总功率损耗
静态损耗
开关损耗□匚驱动损耗
通态损耗し截止损耗开通损耗□し关断损耗
图3,3功率模块在开关运行状态下的单项功耗
IGBT
般来说,IGBT的正向截止损耗和驱动回路的损耗在总损耗中所占的
比例较小,可以忽略不计。
通态损耗(Pwr)和下列因素有关
负载电流(由输出特性 VCF=f(ic,van)所给定)
2.结温;
占空比。
在驱动参数一定的情况下,开通和关断损耗(Pam、Pamr)和下列因素有关
1.负载电流;
2.直流母线电压;
3.结温;
4.开关频率。
IGBT的总功耗:Por=Pwmr+P。ur+Pomr
续流二极管:
般来说,二极管的截止损耗在总功耗中所占的比例较小,可以忽略不
计。唯一的例外是肖特基二极管,它的热态截止电流较高。
开通损耗产生于正向恢复过程之中。对于快速二极管来说,这一部分功
耗通常也可以忽略不计。
通态损耗(Ps)和下列因素有关
负载电流(由输出特性ⅴ=f(i-)所给定);
2.结温
3.占空比。
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在与二极管换流的1GBT驱动参数一定的情况下,关断损耗和下列因素
有关
1.负载电流;
2.直流母线电压;
结温
4.开关频率。
二极管总功耗:P1oD=Psn+Pom
带有n个IGBT和m个二极管的混合功率模块
模块总功耗:Po=( n*Ptot/I)+( m*Ptot/I)
3.2.1.2降压斩波器的功耗
图3.4显示了一个降压斩波器的电路图及其帯阻感负载时的特性曲线。
晶体管驱动信号
ON
off/D
图3.4带阻感负载的降压斩波器