变频电源IGBT模块中的功率开关器件类型和参数的

    功率开关器件类型的选择应该根据变频电源的容量和对体积、质量的要求来确定，还要考虑开关频率、制造成本等多方面的要求。把MOS技术引入功率半导体器件带来了一系列应用上的优点。令人特别关注的是绝缘栅双极晶体管(IGBT)，它已在工业类、消费类和军用类电力电子系统中产生了重要的影响。    IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几万赫兹的频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。    IGBT是电压控制型器件，在它的栅极发射极间施加十几伏的直流电压，只有μA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。但IGBT的栅极发射极间存在着较大的寄生电容（几千至上万皮法），在驱动脉冲电压的上升及下降沿需要提供数安培的充放电电流，才能满足开通和关断的动态要求，这使得它的驱动电路也必须输出一定的峰值电流。    随着IGBT在20kH，的硬开关中的应用以及频率更高的软开关中的应用。IGBT已在1~10kHz这个以前由双极型晶体管占主导地位的，功率高达1000kW的中低频领域中得到应用。通常情况下，功率开关器件参数的选择应考虑以下几个方面的因素。    (1)功率开关器件额定值（额定电压和额定电流）的选择。根据功率开关器件生产厂家提供的资料（比如，日本三菱公司的应用手册），正确选用IGBT有两个关键的环节：一是功率开关器件关断时，在任何被要求的过载条件下，集电极峰值电流必须处于开关安全工作区的规定之内（即小于两倍的额定电流）；二是IGBT工作时的内部结点温度必须始终保持在150℃以下。在任何情况下，包括负载过载时，都必须如此。    (2)功率开关器件的安全工作区(SOA)选择。设计中很重要的一点是防止IGBT因过电压或过电流而引起的损坏或工作的不稳定。例如，用于电机控制和作为变压器负载的变频电源或斩波器，IGBT有规范其开通过程和通态工作点额定值的正向偏置安全工作区(FBSOA)，规范其关断过程和断态工作点额定值的反向偏置安全工作区( RBSOA)和规范其短路容量的短路安全工作区( SCSOA)。    (3)各种降额因素的考虑。由于功率开关器件的实际工作条件同手册中给出的指标的测试条件是不同的，因此，实际使用中功率开关器件能达到的指标同手册中给出的指标相比都会有差别，实际使用中这些指标都会下降。引起器件降额的最主要因素是温度，而降额最明显的指标是功率开关器件的电流容量。由于半导体在较高的温度条件下会变成导体从而失去电压阻断能力，因此，功率开关器件工作中管芯的温度——结温不能超过允许值，这一上限同管芯材料和工艺有关。功率开关器件使用手册给出的电流容量通常是在壳温为25℃，结温为上限的条件下测得的数据，而实际使用时壳温往往要高得多，结温又必须与上限值保持一定的裕量，因此，允许的结一壳温差要小得多，从而使器件实际允许的耗散功率大打折扣。由于耗散功率同流过器件的电流密切相关，因此器件实际允许的电流容量也就下降了。    在实际的设计中，应该计算出功率开关器件工作时的电压和电流峰值，并根据安全工作区( SOA)来初步选择器件的电压和电流容量，然后根据估算的器件发热功率和最高环境温度估计器件工作时的壳温，再根据壳温来决定降额量。由于降额，可能需要将最初选定的器件容量放大，才能最终决定器件的参数。考虑到工作时的电压、电流的冲击，器件的参数选择应留有充足的裕量。另外，还要考虑IGBT生产厂家有关的生产规格。功率开关器件选择包括两个部分。    (1)相当于传统硬开关技术变频电源中的三相逆变桥电路中的开关功率器件S1~ S6。相对于传统的硬开关技术逆变器来说，零电压过渡软开关技术变频电源中主功率开关器件工作过程中的最大改变就是在零电压条件下开通，由于硬开关技术变频电源中也有吸收电路的存在，所以，主功率开关器件的关断过程两者是一样的。另外，主功率开关器件的稳态损耗两者也是一样的。对主功率开关器件的选择参考了硬开关技术变频电源的选择原则。根据日本三菱公司的使用手册，50kVA (37kW)变频电源的电流有效值为75A，峰值电流为106A。考虑到1.4倍的降额因数，留够2倍的工作裕量，故选定主功率开关器件S1~ S6的额定参数为1200V，300A。    (2)辅助谐振回路中的辅助功率开关器件Sr1~ Sr6。辅助开关的工作时间可以控制得很短，所以，对其功率要求比较小，但通过其中的峰值电流并不小，还要高于主开关功率开关器件S1~ S6，对于IGBT来说，无论峰值电流通过的时间长短，其额定电流的选择一定要保证为通过其峰值电流的1.5~ 2.0倍。但是，在这里可以充分利用IGBT的安全工作区，在安全工作区内，IGBT可以承受至少两倍的额定电流值，且不会对IGBT有任何的损坏。    辅助开关中通过的最大电流isrm可以表示为      (5-4)式中 Ix——预置电流；    Im——相电流最大值；
    在一个主开关的开关周期内，辅助开关中通过的平均电流isr为    isr=IxTsr/2Ts    (5-5)式中 Tsr——辅助谐振回路的谐振周期；    Ts——主开关器件的开关周期。    通过有关参数设计选择，可以使得辅助开关中通过的平均电流满足    isr=Im×5%    (5-6)    可以得出Ix约为180A，irm大约为80A，则辅助开关中通过的最大电流isrm约为260A。所以，选择辅助开关Sr1~ Sr6的额定参数可以为1200V，300A。