功率开关管的选择 admin    18/09/08



    对单片开关电源或开关稳压器而言,功率开关管集成在芯片内部。但使用脉宽调制 (PWM)器构成开关电源时,就必须选择功率开关管。开关电源中使用的功率开关管主 要有两种类型:一种为双极型功率开关管,它属于双极型晶体管(BJT),因其输出功 率大,故最早称作巨型晶体管(GTR),现泛指大功率晶体管;第二种为金属—氧化物半 导体场效应晶体管(MOSFET)。此外还有绝缘栅—双极型晶体管(IGBT),主要应用于 交流变频器、逆变器等电气设备及电磁炉中。

    选择开关电源的功率开关管时,还需注意其导通压降(或通态电阻)和开关速度。 功率开关管的导通压降和开关速度与额定电压有关,额定电压越高,导通压降越大,开 关速度越慢。因此,在满足额定电压为实际工作电压1.2~1.5倍的条件下,应尽量选 择低压功率开关管。

一.双极型功率开关管的选择方法

    双极型功率开关管(BJT)是具有开关特性和功率输出能力的双极、结型晶体管。 因有两种载流子(电子与空穴)流过晶体管,故称之为双极型,这与仅有一种载流子的 场效应管不同。双极型功率管属于电流驱动型功率器件,常用的耐压值在1kV以下, 工作电流从几安培到几百安培。其优点是价格便宜;缺点是电流放大系数低,驱动电流 较大,开关频率低(几十千赫以下),适合中、小功率的开关电源。

    使用双极型功率开关管时需要注意以下事项:

     (1)双极型功率开关管有一个以集电极最大电流、集电极最大允许功耗、二次击穿 电流和集电极—发射极击穿电压为边界的安全工作区。无论在瞬态还是稳态下,晶体管 的工作电流和工作电压都不得超出安全工作区范围。此外,安全工作区的边界值还与环 境温度、脉冲宽度等参数有关。当环境温度升高时,安全工作区也应降额使用。

    (2)双极型功率开关管的电流放大系数β值较低,其最小值一般为5~10倍。

    (3)环境温度每升高10℃,集电极漏电流就增加一倍。这会引起关断损耗。

    (4)为降低功率开关管的导通损耗,它在导通时一般处于过饱和状态,这势必增加 了存储时间,降低开关速度。为减少存储时间,需要在功率开关管关断时给发射结加反 向电压,但反向电压过大,发射结将被反向击穿(硅功率开关管的发射结反向击穿电压 为5~6V)。为避免击穿电流过大,可用电阻来限制反向电流不致过大。

    (5)为了快速关断功率开关管,可采用如图3—5—1 所示的抗饱和电路。VDl、VD2为两只硅二极管,其导 通压降分别为UFl、UF2。该电路的集电极—发射极饱和电 压UCE=UFl+UBE-UF2。令UFl=UBE=UF2=0.7V,则 UCE=0.7V+0.7V-0.7V=0.7V,使过大的驱动电流通 过集电极,可降低功率开关管的饱和深度。为进一步降 低饱和深度,还可在VDl上再串联一只二极管VD3,使 饱和压降约为1.4V。此时功率开关管只能进入准饱和状态,存储时间很短,提高了关 断速度,但导通损耗会加大。

图3-5-1  抗饱和电路

二.MOSFET功率开关管的选择方法

1.MOSFET功率开关管的性能特点

    MOSFET属于绝缘栅型场效应管。其主要特点是在金属栅极与沟道之间有一层二 氧化硅绝缘层,因此具有很高的输入电阻(最高可达1015Ω)。它分N沟道管和P沟道 管两种类型,符号如图3—5—2所示。通常将衬底(基板)与源极S接在一起。根据导 电方式的不同,MOSFET又分增强型、耗尽型两种。所谓增强型是指当UGS=0时管子 呈截止状态,加上正确的UGSs(对N沟道管要求UGS>0;对F沟道管则要求UGS<0) 时,多数载流子就被吸引到栅极,从而“增强”了该区域的载流子,形成导电沟道。耗 尽型则是指当UGS=0时即形成沟道,加上正确的UGS(对N沟道管要求UGS<0)时, 能使多数载流子流出沟道,因而“耗尽”了载流子,使管子转向截止。图(c)中的VD 为保护二极管。

图3-5-2  MOSFET的符号

    图3—5—3示出增强型MOSFET的两种结构。以N沟道为例,它是在P型硅衬底 上制成高掺杂浓度的源扩散区N+和漏扩散区N+,再分别引出源极S和漏极D。源极与 衬底在内部连通,二者保持等电位。图3—5—2(a)符号中的箭头方向是从外向里,表 示从P型材料(衬底)指向N型沟道。当漏极接电源正极,源极接电源负极并使UGS=0 时,沟道电流(即漏极电流)ID=0。随着UGS逐渐升高,受栅极正电压的吸引,在两 个N+扩散区之间就感应出带负电的少数载流子,形成从漏极到源极的N型沟道,图中 的虚线就代表沟道。当UGS大于管子的开启电压UTN(一般约为+2V)时,N沟道管开 始导通,就形成漏极电流ID

图3-5-3  增强型MOSFET的结构

    MOSFET功率开关管与双极型功率开关管相比较,主要有以下优点:开通时间短 (几至几十纳秒),适用于开关频率为100kHz~1MHz的PWM控制器;它采用电压驱 动,不需要静态驱动电流;可靠性高,无二次击穿现象;通态电阻小,损耗低。MOSFET 功率开关管一般采用N沟道管,因为在同样情况下N沟道管的通态电阻要比P沟 道管小,且开关速度比P沟道管快。由于MOSFET的源极和漏极结构是对称的,因此 使用时可以互换。对N沟道管而言,只要在栅极和源极(漏极)之间加上正电压就能 双向导通。因此MOSFET可用作同步整流。MOSFET功率开关管的工作电流从几安培 到几百安培,输出功率从几十瓦到几千瓦,开关频率可达几百千赫至1MHz以上。目 前在中、小功率开关电源中大都采用MOSFET作为功率开关管。此外还有PMOS、 NMOS、VMOS场效应管等。

    MOSFET功率开关管的直流参数主要有漏极电流ID、漏—源击穿电压U(BR)DS、漏—源 通态电阻及RDS(ON)、漏极功耗PD。交流参数有开启时间td(ON)、关断时间td(OFF),输入电容 Ci、输出电容Co等。开关电源中MOSFET的损耗主要有两种:导通损耗、开关损耗。 导通损耗是在MOSFET完全导通时漏—源通态电阻及RDS(ON)上的损耗。开关损耗是MOSFET 在交替导通与截止时的功率损耗。此外还有栅极损耗,即由于MOSFET栅极电容充、 放电而产生的损耗,但它出现在栅极电阻或驱动电路上。

    由美国国际整流器公司(IR)生产的5种MOSFET功率开关管的主要技术指标见 表3—5—1。这些管子在漏极与源极之间增加了一只保护二极管。

表3—5—1  5种MOSFET功率开关管的主要技术指标

型号 ID(A) U(BR)DS(V) RDS(ON)(Ω) PD(W) td(ON)(nS) td(OFF)(nS)
IRF84085000.851251449
IRF450145000.401901792
IRF460205000.2728018110
IRF250302000.0851901670
IRF150411000.0552301660

2.MOSFET功率开关管的选择方法

    选择MOSFET功率开关管时应重点考虑以下7个关键参数:

    (1)漏—源击穿电压U(BR)DS值必须大于漏—源极可能承受的最大电压UDS(max), 可留出10%~20%的余量。但U(BR)DS值不宜选得太高,以免增加器件的成本。

    (2)最大漏极电流ID(max)。通常情况下ID(max)应留有较大余量,这有利于散热,提 高转换效率。

    (3)漏—源极通态电阻只RDS(ON)。采用RDS(ON)值很小的功率MOSFET,能降低传输 损耗。

    (4)总栅极电荷QG。QG=QGS+QGD+QOD,其中的QGS为栅—源极电荷,QGD为栅—漏 极电荷,亦称密勒(Miller)电容上的电荷,QOD为密勒电容充满后的过充电荷。因栅 极电荷会造成驱动电路上的损耗,故QG值越小越好。

    (5)品质因数FOM(Figure of Merit)。FOM=RDS(ON)xQG,单位是&Omega·nC(欧姆· 纳库仑)。它也是评价功率MOSFET的一个重要参数,FOM值越低,器件的性能越好。

    (6)输出电容COSS(即漏—源极总分布电容)。COSS过大,会增加开关损耗,这是因 为储存在COSS上的电荷在每个开关周期开始时被泄放掉而产生损耗。

    (7)开关时间包括导通延迟时间td(ON),和关断延迟时间td(OFF)。开关时间应极短,以 减小开关损耗。

    需要注意的是不能片面追求某一项指标。例如,有的MOSFET功率开关管尽管漏— 源极通态电阻及RDS(ON)非常小,但其输出电容COSS比较大,这会导致开关损耗增大,因此 应综合比较各项指标后进行选择。

    以美国英飞凌(infineon)科技公司生产的IPP60R099CPA型N沟道功率MOSFET 为例,其主要参数如下:U(BR)DS=600V,ID(max)=19A,RDS(ON)=0.090(典型值),QG=60nC, FOM=RDS(ON)xQG=0.090×60nC=5.4Ω·nC。COSS=130pF,td(ON)(nS)=10ns, td(OFF)=60ns。该器件适用于AC/DC式开关电源的功率开关管。

三.IGBT功率开关管的选择方法

1.IGBT功率开关管的选择方法

    为解决功率MOSFET在高压、大电流工作时通态电阻大、器件发热严重、输出效 率下降等问题,近年来IGBT功率开关管也获得迅速发展。IGBT(insulate GateBipolar Transistor)是绝缘栅—双极型晶体管的简称。IGBT功率开关管是由MOS场效应管 (MOSFET)与巨型晶体管(GTR)集成的新型高速、高压大功率电力电子器件,它属 于电压控制型大功率器件。IGBT以MOSFET为输入级(驱动电路),GTR为输出级 (主回路)。但从本质上讲,IGBT仍属于场效应管,只是在漏极和漏区之间多了一个P 型层。它将MOSFET和GTR的优点集于一身,具有输入阻抗高、驱动电路简单、耐 压高(一般在500V以上)、工作电流大(可达几百安培,峰值电流可达几千安培,是 功率MOSFET的几十倍)、漏—源通态电阻小、开关速度快(可达微秒数量级)、热稳定 性好、开关损耗低(仅为GTR的30%)等优良特性。IGBT的最高工作频率为20~ 30kHz,主要应用于20kHz以下的大功率开关电源、交流变频器、逆变器等电气设备。

    IGBT功率开关管的结构如图3—5—4(a)所示,它类似于MOSFET,所不同的是 IGBT是在N沟道功率MOSFET的N+基板(漏极)上增加了一个P+基板(即IGBT 的集电极),形成了PN结j1,并由此引出漏极,栅极和源极则与MOSFET相似。IGBT 采用PNPN四层结构,其输出级亦可视为由PNP—NPN晶体管构成的晶闸管。但因 NPN晶体管和发射极在内部短路,故NPN晶体管不起作用。因此,也可将IGBT看作 是以N沟道MOSFET为输入级,PNP晶体管为输出级的单向达林顿管。由图可见, IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR,其简化等效电路如图(b)所示。图 中,Rdr为厚基区GTR的扩散电阻。为兼顾双极型晶体管引脚的习惯称呼,国际电工委 员会(IEC)规定IGBT的栅极为G,源极引出端为发射极E,漏极引出端为集电极C。

图3-5-4  IGBT功率开关管的结构及等效电路

    N沟道和P沟道IGBT的电路符号各有两种,分别如图3—5—5(a)、(b)所示。 IGBT的导通与关断是由栅极电压来控制的。当栅极加正电压时MOSFET内部就形成 了沟道,并为PNP晶体管提供基极电流,从而使IGBT导通,此时,从P+区注入到 N-区进行电导调制,减少N-区的电阻及Rdr值,使耐高压的IGBT也具有低的通态电 阻。当栅极上加负电压时MOSFET内部的沟道就消失,PNP晶体管的基极电流被切 断,使IGBT关断。

图3-5-5  IGBT的电路符号

    IGBT功率开关管的主要技术参数包括反向击穿电压U(BR)CEO,最大集电极连续电流 ICM,最大输出功率POM,开启时间td(ON),关断时间td(OFF),栅极门限电压UGE,集电极— 发射极饱和电压UCE,内部是否有保护二极管(亦称阻尼二极管)。国外生产IGBT功率 开关管的主要厂家有美国飞兆公司、德国西门子公司、英飞凌公司、日本东芝公司等。 IGBT功率开关管典型产品的主要参数见表3—5—2。

表3—5—2  IGBT功率开关管典型产品的主要参数

型号 U(BR)CEO(V) ICM(A) POM(W) td(ON)(nS) td(OFF)(nS) 保护二极管 封装
HGTG20N120CND12006339023200TO-247
GT40T1011500402007005002—21F2C
SGW25N12012004631350820TO-247
SGL40N15015004020090245TO-264

    对于内部没有保护二极管的IGBT功率开关管,应在C—E极间接一只快恢复式阻尼 二极管,阻尼二极管的正极接C极,负极接E极。例如可采用Philips公司生产的 BY459型快速、高压阻尼二极管,其反向耐压为1500V,正向导通电压为0.95V,正向 峰值重复电流可达100A,反向恢复时间为250ns。

2.IGBT功率开关管在开关电源中的应用

    由IGBT和交、直流高压输入式可调线性稳压器HIP5600构成大电流自激降压式开 关电源的电路如图3—5—6所示。该电源采用自激振荡的原理产生大约为18kHz的开关 频率。交流输入电压为220V,输出为+24V、250mA,可驱动直流风扇电机。桥式整 流滤波器由VD1—VD4、C1构成。开关功率管采用P沟道IGBT,它是以MOS场效应 管(MOSFET)为输入级,再以功率晶体管为输出级的集成化大功率器件。由VT2和 R5组成启动保护电路,可限制IGBT的初始浪涌电流。C5、VD6、VD7和L1组成输出 缓冲电路。输出电压由R1、R2和R3设定。

图3-5-6  由IGBT和HIP5600构成大电流自激降压式开关电源的电路

    使用IGBT时需注意以下事项:

    (1)IGBT模块的UGE一般为±20V,若超过此值就会导致模块损坏。

    (2)当栅极处于开路状态时,若在主回路加上电压就容易损坏IGBT。为防止出现 这种情况,应在栅极—发射极之间分别并联一只10KΩ左右的电阻和一只小电容。

    (3)由于IGBT模块以MOSFET作为输入级,因此必须对静电采取防护措施。使 用IGBT模块时,禁止用手触模栅极。若必须触模模块的端子时,也应先将人体静电泄 放掉。模块的底板应接地良好。焊接时,电烙铁或电焊机应处于良好的接地状态下。存 放IGBT模块的容器也不得带静电。

    (4)为满足输出大电流的需要,允许将多个IGBT模块并联使用。并联时流过每个 器件的电流应保持平衡。

    (5)为提高IGBT的开关速度,可将MOSFET与IGBT并联成复合管,IGBT— MOSFET复合管如图3—5—7(a)所示。MOSFET和IGBT的驱动原理如下:其导通过 程为首先由PWM信号驱动MOSFET导通,然后IGBT导通,并且IGBT是在电压过零 时开始导通。关断过程则为先关断IGBT(在零电压时关断),经过一段延迟时间再关 断MOSFET。在导通期间,由于MOSFET的导通压降比IGBT高,因此大部分电流通 过IGBT,由IGBT承担导通损耗。开关损耗主要由MOSFET承担。IGBT—MOSFET复 合管可用于半桥或全桥拓扑结构。

图3-5-7  两种复合管的电路结构

    同样,还可将双极型晶体管(BJT)与MOSFET串联成复合管,利用MOSFET的 开关特性来提高开关速度。BJT—MOSFET复合管的电路结构如图3—5—7(b)所示。它 在导通时首先驱动功率MOSFET,此时BJT处于共基极接法,从发射极输入电流。因 MOSFET导通、漏极电压降低,使BJT的发射结为正向偏置,产生基极电流和集电极 电流,再通过正反馈电路使BJT饱和导通。关断时首先关断MOSFET,因BJT发射结 处于反向偏置而将BJT迅速关断。由于共基极接法的频率特性是共射极接法的β倍,因 此可大大提高关断速度。低压MOSFET的通态电阻仅为mΩ数量级,导通损耗很小。 上述电路可用于双端正激式大功率开关电源中,开关频率可达50kHz。

    给IGBT功率开关管配上驱动器,即可构成IGBT模块。IGBT驱动器一般采用高速 光耦合器隔离,具有比较完善的保护功能(包括过电流保护、短路保护和过电压保护)。



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