用于反激變換器中BIMOSFET的相關(guān)性能

1 引言

反激變換器一個(gè)典型的應(yīng)用場(chǎng)合是在逆變器中給IGBT的驅(qū)動(dòng)提供輔助電源。此時(shí)反激變換器的開(kāi)關(guān)管需要有比較高的擊穿電壓和快的開(kāi)關(guān)速度。為了降低開(kāi)關(guān)損耗，開(kāi)通和關(guān)段的能量也要小。BIMOSFET的一個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)就是它的開(kāi)通損耗小，另外它的導(dǎo)通損耗也比較小。把MOSFET和BIMOSFET對(duì)比來(lái)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(jiǎn)單的變換器之一。其電路中只包括一個(gè)開(kāi)關(guān)管，一個(gè)變壓器，一個(gè)二極管和兩個(gè)電容，如圖一所示。變換器的能量?jī)?chǔ)存在鐵心的氣隙中。開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，原邊電流斜線上升，磁芯儲(chǔ)能，關(guān)斷時(shí)通過(guò)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(gè)電路的優(yōu)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)多路輸出。另外，它能很好的實(shí)現(xiàn)原邊和副邊的電氣隔離。它的缺點(diǎn)是開(kāi)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(kāi)環(huán)工作，否則輸出電壓將會(huì)超過(guò)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(gè)主要的應(yīng)用場(chǎng)合是在逆變器中給IGBT的驅(qū)動(dòng)提供輔助電源。這種場(chǎng)合下的所有需要都可以通過(guò)反激變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖2中陰影部分所示的是逆變器的驅(qū)動(dòng)電路，這里還包括一個(gè)啟動(dòng)電路。其輔助電源可以由非常少的器件構(gòu)成，成本廉價(jià)。

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(guò)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(dòng)狀態(tài)。當(dāng)直流母線電壓上升到750V時(shí)，輸出電壓可以通過(guò)變化開(kāi)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(guò)增加獨(dú)立的輔助線圈來(lái)實(shí)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(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)，另外三個(gè)獨(dú)立的正15V給上面的IGBT作驅(qū)動(dòng)。

反激變換器作為逆變器驅(qū)動(dòng)時(shí)重要的一點(diǎn)是需要高的電壓應(yīng)力。在反激變換器中，開(kāi)關(guān)管的最高電壓應(yīng)力是輸入電壓的兩倍。因此，開(kāi)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(dòng)機(jī)在制動(dòng)狀態(tài)時(shí)直流母線電壓高達(dá)750V。因此只要需要耐壓值為1600V的開(kāi)關(guān)管。

反激變換器開(kāi)關(guān)頻率通常取50k到100KHz。為減小開(kāi)關(guān)損耗，開(kāi)關(guān)時(shí)所需要的能量要盡量低。為了做到這一點(diǎn)，必須要求開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)速度快。避免開(kāi)通損耗一個(gè)比較常用的竅門(mén)是直到輸出二極管電流降到零后(斷續(xù)模式)再開(kāi)通晶體管。這就需要在下一個(gè)周期開(kāi)始之前，留出一定的死區(qū)時(shí)間。這種方法可以減小開(kāi)關(guān)管和二極管的換向損耗，從而可以提高開(kāi)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(duì)于反激變換器來(lái)說(shuō)速度太慢。這種新型的高壓BIMOSFET完全可以滿足需要。

無(wú)論是MOSFETS說(shuō)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(gè)硅外延層，如圖3.a所示。

但是，當(dāng)電壓超過(guò)1200V時(shí)，承受阻斷電壓的N-硅層更傾向于圖3.b所示無(wú)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?qǐng)D3.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(gè)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(gè)“自由”的寄生二極管，這也就是BIMOSFET首字母縮略詞的由來(lái)。BIMOSFET的關(guān)斷由集電極來(lái)控制。為了優(yōu)化二極管的反向?qū)?，不至于產(chǎn)生換向時(shí)帶來(lái)的dv/dt問(wèn)題，少數(shù)載流子的壽命應(yīng)該通過(guò)輻照的方法降低下來(lái)。

有兩種類(lèi)型的BIMOSFET，一種稱為標(biāo)準(zhǔn)型，類(lèi)似于IGBT，其控制電壓為VGE=15/0V;另一種“G”型，其門(mén)極電壓和MOSFET一樣，下節(jié)我們將來(lái)介紹它。此外，兩者的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性都是一樣的。

圖3

5 驅(qū)動(dòng)要求

a) 標(biāo)準(zhǔn)BIMOSFET

實(shí)驗(yàn)表明門(mén)極電阻和門(mén)極電壓對(duì)損耗的影響很大。我們發(fā)現(xiàn)通常門(mén)極電阻小于30歐姆時(shí)，驅(qū)動(dòng)波形會(huì)出現(xiàn)振蕩;而當(dāng)電阻大于50歐姆時(shí)又會(huì)增加導(dǎo)通損耗。因此IXBH9N160 BIMOSFET最佳工作條件是驅(qū)動(dòng)電壓為15V，門(mén)極電阻在30-50歐姆之間。為了獲得全導(dǎo)通，15V的門(mén)極電壓是必要的，這是因?yàn)?V的門(mén)檻電壓和MOSFET比較來(lái)看相對(duì)比較高。

b)　G型BIMOSFET

G型BIMOSFET的門(mén)檻電壓通常為4V左右，略低于標(biāo)準(zhǔn)型。因此門(mén)極驅(qū)動(dòng)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(guò)驅(qū)動(dòng)電壓至少應(yīng)該為15V，從而減小開(kāi)通損耗。

G型表示時(shí)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(guò)對(duì)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(dòng)電壓僅為6V時(shí)，MOSFET可以流過(guò)2A的電流。對(duì)比圖4b中BIMOSFET的輸出特性，我們看到當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為7V時(shí)，沒(méi)有電流流過(guò)。這就是BIMOSFET最大的區(qū)別。當(dāng)電流低于5A時(shí)，我們至少需要11V的驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)開(kāi)通它。在電流峰值比較高的場(chǎng)合，我們需要15V的驅(qū)動(dòng)電壓。導(dǎo)通時(shí)的損耗也不盡相同。驅(qū)動(dòng)電壓15V，流過(guò)的電流為2A時(shí)，MOSFET有18V的壓降，而B(niǎo)IMOSFET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(guò)3A，而B(niǎo)IMOSFET可以達(dá)到10A以上。

圖四　輸出特性

7 開(kāi)關(guān)特性

為了量化MOSFET和BIMOSFET的性能，我們作了一系列的對(duì)比試驗(yàn)。圖5a和圖5b給出了一個(gè)完整開(kāi)關(guān)周期的波形，并對(duì)損耗進(jìn)行了計(jì)算。同時(shí)還測(cè)量了漏極電流，漏極電壓，和門(mén)極電壓。功率耗散和全部的能量也通過(guò)這些數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)。

測(cè)試裝置是一個(gè)雙脈沖測(cè)試器，當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，續(xù)流二極管依舊開(kāi)通。因此開(kāi)通的波形會(huì)受到二極管反向恢復(fù)的一點(diǎn)影響。但由于二極管對(duì)MOSFET和BIMOSFET的影響是一樣的，所以二者仍然可以比較。

圖五　開(kāi)關(guān)波形

條件如下所示：

關(guān)斷電流幅值=4A

電壓=800V

門(mén)極驅(qū)動(dòng)=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(gè)狀態(tài)結(jié)束時(shí)，我們可以看到能量曲線有所上升(實(shí)線所示)，這是由MOSFET導(dǎo)通時(shí)比較高的損耗造成的。

下個(gè)階段(t1到t2)是關(guān)斷狀態(tài)。虛線所示兩者基本沒(méi)有什么區(qū)被，BIMOSFET略微少一點(diǎn)。

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?yàn)槲覀兊玫降慕Y(jié)果和MOSFET相同，而MOSFET是沒(méi)有拖尾電流的，所以關(guān)斷狀態(tài)時(shí)的測(cè)量可能會(huì)存在一點(diǎn)誤差。

下個(gè)階段是開(kāi)通階段，從t3到t4。我們可以看到開(kāi)通時(shí)會(huì)產(chǎn)生比較大的損耗。上面的實(shí)線表示電流的尖峰，這是由二極管的換向造成的。MOSFET的開(kāi)通時(shí)間要長(zhǎng)于BIMOSFET。MOSFET的峰值功率為250nS,4KW;而B(niǎo)IMOSFET的峰值功率為130nS，5KW。MOSFET的總開(kāi)關(guān)損耗大約為0.5mJ，而B(niǎo)IMOSFET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(kāi)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?yàn)樗娘柡蛪航当容^低。

8 結(jié)語(yǔ)

BIMOSFET的優(yōu)點(diǎn)首先在于它的低開(kāi)通損耗，其次是它的導(dǎo)通損耗也比較低。到t5時(shí)刻，每個(gè)周期的總能量消耗，MOSFET為0.95mJ，而B(niǎo)IMOSFET僅為0.62mJ。BIMOSFET的總損耗大約減小了35%。