用于反激變換器中BIMOSFET的相關(guān)性能
1 引言
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/176819.htm反激變換器一個典型的應(yīng)用場合是在逆變器中給IGBT的驅(qū)動提供輔助電源。此時反激變換器的開關(guān)管需要有比較高的擊穿電壓和快的開關(guān)速度。為了降低開關(guān)損耗,開通和關(guān)段的能量也要小。BIMOSFET的一個主要的優(yōu)點就是它的開通損耗小,另外它的導(dǎo)通損耗也比較小。把MOSFET和BIMOSFET對比來看,BIMOSFET的損耗大概要小35%左右。
2 反激工作
反激變換器是最簡單的變換器之一。其電路中只包括一個開關(guān)管,一個變壓器,一個二極管和兩個電容,如圖一所示。變換器的能量儲存在鐵心的氣隙中。開關(guān)管導(dǎo)通時,原邊電流斜線上升,磁芯儲能,關(guān)斷時通過二極管傳送到負(fù)載端。反激變換器的最大功率可以做到300W。
這個電路的優(yōu)點是具有非常寬的輸入輸出電壓比,并且可以增加輔助的線圈實現(xiàn)多路輸出。另外,它能很好的實現(xiàn)原邊和副邊的電氣隔離。它的缺點是開關(guān)管的電壓應(yīng)力比較高,變壓器氣隙產(chǎn)生的RFI輻射比較高。反激變換器不允許空載或者開環(huán)工作,否則輸出電壓將會超過允許的限度。
圖1 反激變換器
3 反激變換器的應(yīng)用
反激變換器一個主要的應(yīng)用場合是在逆變器中給IGBT的驅(qū)動提供輔助電源。這種場合下的所有需要都可以通過反激變換器來實現(xiàn)。
圖2中陰影部分所示的是逆變器的驅(qū)動電路,這里還包括一個啟動電路。其輔助電源可以由非常少的器件構(gòu)成,成本廉價。
圖2 逆變器
由于變換器的輸入電壓就是直流母線電壓,因此電壓的變化范圍比較寬。在母線電容充電的過程中,輔助電源必須在直流母線電壓非常低的條件下工作,例如還有電機(jī)的制動狀態(tài)。當(dāng)直流母線電壓上升到750V時,輸出電壓可以通過變化開關(guān)管的占空比很容易的調(diào)節(jié)。
所有的隔離直流輸出都可以通過增加獨立的輔助線圈來實現(xiàn)。比如5V給微處理器供電,正負(fù)15V給電流傳感器,正15V給下面三個IGBT驅(qū)動,另外三個獨立的正15V給上面的IGBT作驅(qū)動。
反激變換器作為逆變器驅(qū)動時重要的一點是需要高的電壓應(yīng)力。在反激變換器中,開關(guān)管的最高電壓應(yīng)力是輸入電壓的兩倍。因此,開關(guān)管的最小耐壓應(yīng)該2×Vin。作為電機(jī)控制的標(biāo)準(zhǔn)逆變器其電源為400V,電動機(jī)在制動狀態(tài)時直流母線電壓高達(dá)750V。因此只要需要耐壓值為1600V的開關(guān)管。
反激變換器開關(guān)頻率通常取50k到100KHz。為減小開關(guān)損耗,開關(guān)時所需要的能量要盡量低。為了做到這一點,必須要求開關(guān)管的開關(guān)速度快。避免開通損耗一個比較常用的竅門是直到輸出二極管電流降到零后(斷續(xù)模式)再開通晶體管。這就需要在下一個周期開始之前,留出一定的死區(qū)時間。這種方法可以減小開關(guān)管和二極管的換向損耗,從而可以提高開關(guān)頻率,減小變壓器體積。
4 BIMOSFET芯片技術(shù)
標(biāo)準(zhǔn)高壓IGBT對于反激變換器來說速度太慢。這種新型的高壓BIMOSFET完全可以滿足需要。
無論是MOSFETS說是IGBTS,其傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)通常是DMOS(雙擴(kuò)散金屬氧化硅),就是在一層薄且低阻抗的硅襯底上生成一個硅外延層,如圖3.a所示。
但是,當(dāng)電壓超過1200V時,承受阻斷電壓的N-硅層更傾向于圖3.b所示無外延層的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)也被稱為“均勻基區(qū)結(jié)構(gòu)”或是NPT。
參照圖3.b,保留了IGBT中的pnpn結(jié)構(gòu),但是需要注意的是這里引入了一個N+集電極-短路模式,目的是減小PNP晶體管的電流增益,改善其關(guān)斷性能。但是,在發(fā)射極和集電極之間有一個“自由”的寄生二極管,這也就是BIMOSFET首字母縮略詞的由來。BIMOSFET的關(guān)斷由集電極來控制。為了優(yōu)化二極管的反向?qū)?,不至于產(chǎn)生換向時帶來的dv/dt問題,少數(shù)載流子的壽命應(yīng)該通過輻照的方法降低下來。
有兩種類型的BIMOSFET,一種稱為標(biāo)準(zhǔn)型,類似于IGBT,其控制電壓為VGE=15/0V;另一種“G”型,其門極電壓和MOSFET一樣,下節(jié)我們將來介紹它。此外,兩者的靜態(tài)和動態(tài)特性都是一樣的。
圖3
5 驅(qū)動要求
a) 標(biāo)準(zhǔn)BIMOSFET
實驗表明門極電阻和門極電壓對損耗的影響很大。我們發(fā)現(xiàn)通常門極電阻小于30歐姆時,驅(qū)動波形會出現(xiàn)振蕩;而當(dāng)電阻大于50歐姆時又會增加導(dǎo)通損耗。因此IXBH9N160 BIMOSFET最佳工作條件是驅(qū)動電壓為15V,門極電阻在30-50歐姆之間。為了獲得全導(dǎo)通,15V的門極電壓是必要的,這是因為6V的門檻電壓和MOSFET比較來看相對比較高。
b) G型BIMOSFET
G型BIMOSFET的門檻電壓通常為4V左右,略低于標(biāo)準(zhǔn)型。因此門極驅(qū)動電壓可以為10V。BIMOSFET在反激變換器中可以區(qū)帶1000V的MOSFET。由于其阻斷電壓高達(dá)1400/1600V,因此可以減小甚至省略吸收電容。不過驅(qū)動電壓至少應(yīng)該為15V,從而減小開通損耗。
G型表示時末尾字母是G,目前第一批生產(chǎn)的器件是IXBF9N140G和IXBF9N160G。
6 靜態(tài)特性
通過對比輸出曲線,我們可以看到MOSFET的線性特性(圖4a)和BIMOSFET的雙極性(圖4b)。
圖4a告訴我們,當(dāng)驅(qū)動電壓僅為6V時,MOSFET可以流過2A的電流。對比圖4b中BIMOSFET的輸出特性,我們看到當(dāng)驅(qū)動電壓為7V時,沒有電流流過。這就是BIMOSFET最大的區(qū)別。當(dāng)電流低于5A時,我們至少需要11V的驅(qū)動電壓來開通它。在電流峰值比較高的場合,我們需要15V的驅(qū)動電壓。導(dǎo)通時的損耗也不盡相同。驅(qū)動電壓15V,流過的電流為2A時,MOSFET有18V的壓降,而BIMOSFET只有4V的壓降,這就減小了4.5倍的損耗。此外BIMOSFET的電流定額也比較高,普通MOSFET只能流過3A,而BIMOSFET可以達(dá)到10A以上。
圖四 輸出特性
7 開關(guān)特性
為了量化MOSFET和BIMOSFET的性能,我們作了一系列的對比試驗。圖5a和圖5b給出了一個完整開關(guān)周期的波形,并對損耗進(jìn)行了計算。同時還測量了漏極電流,漏極電壓,和門極電壓。功率耗散和全部的能量也通過這些數(shù)據(jù)計算出來。
測試裝置是一個雙脈沖測試器,當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時,續(xù)流二極管依舊開通。因此開通的波形會受到二極管反向恢復(fù)的一點影響。但由于二極管對MOSFET和BIMOSFET的影響是一樣的,所以二者仍然可以比較。
圖五 開關(guān)波形
條件如下所示:
關(guān)斷電流幅值=4A
電壓=800V
門極驅(qū)動=15V,40歐姆
結(jié)溫=125攝氏度
t0到t1是導(dǎo)通狀態(tài)的結(jié)束。在這個狀態(tài)結(jié)束時,我們可以看到能量曲線有所上升(實線所示),這是由MOSFET導(dǎo)通時比較高的損耗造成的。
下個階段(t1到t2)是關(guān)斷狀態(tài)。虛線所示兩者基本沒有什么區(qū)被,BIMOSFET略微少一點。
關(guān)斷結(jié)束后(t2到t3),BIMOSFET不存在拖尾電流。能量曲線有輕微上升,因為我們得到的結(jié)果和MOSFET相同,而MOSFET是沒有拖尾電流的,所以關(guān)斷狀態(tài)時的測量可能會存在一點誤差。
下個階段是開通階段,從t3到t4。我們可以看到開通時會產(chǎn)生比較大的損耗。上面的實線表示電流的尖峰,這是由二極管的換向造成的。MOSFET的開通時間要長于BIMOSFET。MOSFET的峰值功率為250nS,4KW;而BIMOSFET的峰值功率為130nS,5KW。MOSFET的總開關(guān)損耗大約為0.5mJ,而BIMOSFET僅為0.4mJ,大約減小了20%。
最后的500nS,從t4到t5,是導(dǎo)通狀態(tài)的開始階段。MOSFET的能量曲線由于較高的通態(tài)電阻而有所上升。BIMOSFET的曲線比較平緩,因為它的飽和壓降比較低。
8 結(jié)語
BIMOSFET的優(yōu)點首先在于它的低開通損耗,其次是它的導(dǎo)通損耗也比較低。到t5時刻,每個周期的總能量消耗,MOSFET為0.95mJ,而BIMOSFET僅為0.62mJ。BIMOSFET的總損耗大約減小了35%。
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