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逆变器系统 - MOSFET选择策略详解

2012年04月03日 11:15 本站整理 作者:秩名 用户评论(0

  逆变器系统

  DC-AC逆变器广泛用于电机驱动、UPS和绿色能源系统。通常,高电压和大功率的系统使用IGBT,但对于低压、中压和高压(12V至400V输入直流总线)而言,通常使用MOSFET。在用于太阳能逆变器、UPS逆变器和电机驱动逆变器的高频DC-AC逆变器中,MOSFET已获得普及。在直流总线电压大于400V的某些应用中,高压MOSFET被用于小功率应用。MOSFET具有一个固有的开关性能很差的体二极管,该二极管通常会在逆变器桥臂的互补MOSFET中带来高开通损耗。在单开关或单端应用(例如PFC、正激或反激转换器)中,体二极管并未正向偏置,因而可以忽略它的存在。低载频逆变器承受着附加输出滤波器的尺寸、重量和成本的负担;高载频逆变器的优势则是更小、更低成本的低通滤波器设计。MOSFET是这些逆变器应用的理想之选,因为它们可以工作在较高的开关频率下。这能减少射频干扰(RFI),因为开关频率电流分量在逆变器和输出滤波器内部流动,从而消除了向外流动。

  针对逆变器应用的MOSFET的要求包括:

  特定的导通电阻(RSP)应该较小,来减少导通损耗。器件到器件的RDSON变化应该较小,这有两个目的:在逆变器输出端的DC分量较少,且该RDSON可以用于电流检测来控制异常状况(主要在低压逆变器中);对于相同的RDSON,低RSP可以减少晶圆尺寸,从而降低成本。

  当晶圆尺寸减小时,可以使用非箝位感应开关(UIS)。应该采用良好的UIS来设计MOSFET单元结构,且不能有太多的让步。通常,对于相同的晶圆尺寸,相比平面MOSFET,现代沟槽MOSFET具有良好的UIS。薄晶圆减小了热阻(RthJC),在这种情况下,较低的品质因数(FOM)可以表示为RSP×RthJC/UIS。3.良好的安全工作区(SOA)和较低的跨导。

  会有少量栅漏电容(CGD)(米勒电荷),但CGD/CGS比必须低。适度高的CGD可以帮助减少EMI。极低的CGD增加了dv/dt,并因此增加了EMI。低CGD/CGS比降低了击穿的可能性。这些逆变器不在高频下工作,因而允许栅极ESR有少许增加。因为这些逆变器工作在中等频率上,所以可以允许有稍高的CGD和CGS。

  即使在该应用中工作频率已较低,但降低COSS有助于减少开关损耗。同时也允许稍微增大COSS。

  开关期间的COSS和CGD突变会引起栅极振荡和较高过冲,长时间后将有可能损坏栅极。这种情况下,高源漏dv/dt会成为问题。

  高栅极阈值电压(VTH)可以实现更好的抗噪性和更好的MOSFET并联。VTH应该超过3V。

  体二极管恢复:需要具有低反向恢复电荷(QRR)和低反向恢复时间(tRR)的更软、更快的体二级管。同时,软度因子S(Tb/Ta)应大于1。这将减小体二极管恢复dv/dt及逆变器直通的可能性。活跃的体二极管会引起击穿和高压尖峰问题。

  在某些情况下,需要高(IDM)脉冲漏极电流能力来提供高(ISC)短路电流抗扰度、高输出滤波器充电电流和高电机起动电流。

  通过控制MOSFET的开通和关断、dv/dt和di/dt,可控制EMI。

  通过在晶圆上使用更多的丝焊来减少共源电感。

  在快速体二极管MOSFET中,体二极管的电荷生命周期缩短,因而使得tRR和QRR减小,这导致带体二极管的MOSFET与外延二极管相似。该特性使得该MOSFET成为针对各种不同应用的高频逆变器(包括太阳能逆变器)的极佳选择。至于逆变器桥臂,二极管由于无功电流而被迫正向导通,这使得它的特性更为重要。常规MOSFET体二极管通常具有长反向恢复时间和高QRR。如果在负载电流从二极管向逆变器桥臂的互补MOSFET转换的过程中,体二极管被迫正向导通了,那么在tRR的整个时间段,电源将被抽走很大的电流。这增加了MOSFET中的功率耗散,且降低了效率。而效率是非常重要的,尤其是对于太阳能逆变器而言。

  活跃体二极管还会引入瞬时直通状况,例如,当其在高dv/dt下恢复,米勒电容中的位移电流能够对栅极充电到VTH以上,同时互补MOSFET会试图导通。这可能引起总线电压的瞬时短路,增加功率耗散并导致MOSFET失效。为避免此现象,可连接外部的SiC或常规硅二极管与MOSFET反向并联。因为MOSFET体二极管的正向电压较低,肖特基二极管必须与MOSFET串联连接。另外,还必须在MOSFET与肖特基二极管组合的两端跨接反并联SiC。当MOSFET反偏时,外部SiC二极管导通,并且串接的肖特基二极管不允许MOSFET体二极管导通。这种方案在太阳能逆变器中已经变得非常普及,可以提高效率,但却增加了成本。

  飞兆半导体采用FRFET的UniFET II MOSFET器件是一种高压MOSFET技术功率器件,适合以上所列应用。与UniFET MOSFET相比,由于RSP减小,UniFET II器件的晶圆尺寸也减小,这有助于改进体二极管恢复特性。这种器件目前有两个版本:具有较好体二极管的F型FRFET器件,和具有市场上最低QRR和tRR的U型Ultra FRFET MOSFET。Ultra FRFET型可以省去逆变器桥臂中的SiC和肖特基二极管,同时达到相同的效率并降低成本。在这种情况下,QRR已经从3100nC减少到260nC,并且二极管开关损耗也显著降低。

  导通传播延迟、电流和电压振铃被减小,串联肖特基二极管的传导损耗也被消除。相比UniFET MOSFET,UniFET II器件还具有较低的COSS,因而开关损耗被减小。

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( 发表人:电子大兵 )

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