变流器的核心器件MOSFET和IGBT

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，是本文的主要讨论对象。

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。

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。

再谈IGBT

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。

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。

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

三菱IGBT功率模块热疲劳寿命（三菱提供）

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％

三菱的CM400DU-24NFH，该器件最大额定电流为400A，这是一个开关速度很快的IGBT，其饱和压降比较大，一般应用在工作频率较高的地方，所以，总损耗较大，因此一般峰值电流在200A左右。从下图可以清楚地看到，该IGBT集电极电流小于350A时，其饱和压降为负温度系数。