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【原創(chuàng)】變流器的核心器件-MOSFET和IGBT討論

MOSFETIGBT是當前變流器中應用最廣泛,最重要的兩類核心器件。MOSFET主要應用在低壓和中壓(中小功率),IGBT主要應用在高壓和中壓(大功率)領域。

關于MOSFET已經(jīng)有很充分的精辟的論述,在此不再重復,只對個別問題作一點補充。IGBT的討論還較少,因此,是本帖的主要討論對象。

 

首先來說MOSFET

提一個基礎性問題:驅(qū)動MOSFET導通的最佳柵電壓是多少伏?

絕大多數(shù)人的回答是:15V。這個答案不能說錯,但是,這活干得太粗。

MOSFET的導通電阻是隨柵電壓的提高而下降,當柵電壓達到一定值時,導通電阻就基本不會再降了,暫且稱之為“充分導通”,一般認為這個電壓是低于15V的。

實際上,不同耐壓的MOSFET達到充分導通的柵電壓是不同的?;疽?guī)律是:耐壓越高的MOSFET,達到充分導通的柵電壓越低;耐壓越低的MOSFET,達到充分導通的柵電壓越高。我查閱了各種耐壓MOSFETVGSRDS曲線,得到的結論是:耐壓200VMOSFET達到充分導通的柵電壓>16V;耐壓500VMOSFET達到充分導通的柵電壓>12V;耐壓1000VMOSFET達到充分導通的柵電壓>8V。因此,建議:耐壓200V及以下的MOSFET柵驅(qū)動電壓=1718V;耐壓500VMOSFET柵驅(qū)動電壓=15V;耐壓1000VMOSFET柵驅(qū)動電壓=12V。

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840318028
LV.1
2
2010-08-16 23:36

強烈希望此帖能火起來! 另期待樓主繼續(xù)!

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2010-08-16 23:48
嗯,好呀,又一篇原創(chuàng)!
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spiker
LV.1
4
2010-08-17 09:10
MARK
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LV.1
5
2010-08-17 09:20

學習中。。。。。。。

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2010-08-17 22:34

說了MOSFET的驅(qū)動電壓,再來說說IGBT的驅(qū)動電壓,IGBT的驅(qū)動電壓為15±1.5V,與IGBT的耐壓無關。驅(qū)動電壓低于13.5V,IGBT的飽和壓降會明顯增高;高于16.5V,既沒有必要,還可能帶來不利的影響。

某些用IGBT作為主功率器件的變流器,IGBT的輸出直接與外部負載連接,例如驅(qū)動電機調(diào)速的變頻器,司服系統(tǒng)等等。一旦負載短路,就會造成IGBT極為嚴重的過流,此時IGBT會有多大的電流呢?大約是IGBT額定電流的幾倍到十幾倍,過流的嚴重程度與IGBT的柵驅(qū)動電壓相關,即,當IGBT的驅(qū)動電壓在14V以下時,其短路電流就較小,約是其額定電流的幾倍;當IGBT的驅(qū)動電壓在16V以上時,其短路電流就很大,約是其額定電流的十幾倍,顯然,這么大的短路電流,對IGBT極具破壞性。雖然,IGBT號稱有10微秒的抗短路能力,十幾倍的額定電流也是難于承受的,我的經(jīng)驗是,最多只能承受一次,第二次就玩完。因此,建議,如果有條件嚴格控制IGBT的驅(qū)動電壓的話,此類變流器IGBT的柵電壓為14.515.5V為宜。
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貼片機
LV.8
7
2010-08-18 08:39
學習
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2010-08-18 11:25
@世界真奇妙
說了MOSFET的驅(qū)動電壓,再來說說IGBT的驅(qū)動電壓,IGBT的驅(qū)動電壓為15±1.5V,與IGBT的耐壓無關。驅(qū)動電壓低于13.5V,IGBT的飽和壓降會明顯增高;高于16.5V,既沒有必要,還可能帶來不利的影響。某些用IGBT作為主功率器件的變流器,IGBT的輸出直接與外部負載連接,例如驅(qū)動電機調(diào)速的變頻器,司服系統(tǒng)等等。一旦負載短路,就會造成IGBT極為嚴重的過流,此時IGBT會有多大的電流呢?大約是IGBT額定電流的幾倍到十幾倍,過流的嚴重程度與IGBT的柵驅(qū)動電壓相關,即,當IGBT的驅(qū)動電壓在14V以下時,其短路電流就較小,約是其額定電流的幾倍;當IGBT的驅(qū)動電壓在16V以上時,其短路電流就很大,約是其額定電流的十幾倍,顯然,這么大的短路電流,對IGBT極具破壞性。雖然,IGBT號稱有10微秒的抗短路能力,十幾倍的額定電流也是難于承受的,我的經(jīng)驗是,最多只能承受一次,第二次就玩完。因此,建議,如果有條件嚴格控制IGBT的驅(qū)動電壓的話,此類變流器IGBT的柵電壓為14.5-15.5V為宜。

很好,軟保護的原理就是逐漸降低IGBT柵極驅(qū)動電壓,最后完全關斷。

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2010-08-18 11:48
@世界真奇妙
說了MOSFET的驅(qū)動電壓,再來說說IGBT的驅(qū)動電壓,IGBT的驅(qū)動電壓為15±1.5V,與IGBT的耐壓無關。驅(qū)動電壓低于13.5V,IGBT的飽和壓降會明顯增高;高于16.5V,既沒有必要,還可能帶來不利的影響。某些用IGBT作為主功率器件的變流器,IGBT的輸出直接與外部負載連接,例如驅(qū)動電機調(diào)速的變頻器,司服系統(tǒng)等等。一旦負載短路,就會造成IGBT極為嚴重的過流,此時IGBT會有多大的電流呢?大約是IGBT額定電流的幾倍到十幾倍,過流的嚴重程度與IGBT的柵驅(qū)動電壓相關,即,當IGBT的驅(qū)動電壓在14V以下時,其短路電流就較小,約是其額定電流的幾倍;當IGBT的驅(qū)動電壓在16V以上時,其短路電流就很大,約是其額定電流的十幾倍,顯然,這么大的短路電流,對IGBT極具破壞性。雖然,IGBT號稱有10微秒的抗短路能力,十幾倍的額定電流也是難于承受的,我的經(jīng)驗是,最多只能承受一次,第二次就玩完。因此,建議,如果有條件嚴格控制IGBT的驅(qū)動電壓的話,此類變流器IGBT的柵電壓為14.5-15.5V為宜。

學習了. 不錯.

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2010-08-22 18:30

IGBT的主要技術參數(shù)之最大額定電流的定義:在一定的殼溫條件下,可以連續(xù)通過集電極的最大電流(直流)。

我們必須關注的是:最大額定電流指的是直流,也就是說,不能有開關動作,而且,柵電壓為15V,即IGBT在良好導通的情況下。此時結溫不高于規(guī)格書中的最高值。

而實際應用時總是有開關動作的,開關時的瞬時功耗遠遠大于導通時的瞬時功耗,一般正常工作時,導通時的峰值電流應小于其最大額定電流,應該小多少為合理呢?這個問題不能一概而論。這與所選的IGBT的品牌,開關速度,工作頻率,母線電壓,外殼溫度等等多種因素有關。最好向原生產(chǎn)商的技術支持咨詢。

我曾經(jīng)向三菱作過咨詢,采用三菱的IGBT模塊,設計AC380V的通用變頻器,工作頻率67KHZ,選擇相應適用的系列型號。變頻器輸出額定電流的峰值應該設計為IGBT最大額定電流的1/2,通用變頻器一般允許最大150%過載,此時IGBT的峰值電流為IGBT最大額定電流的3/4。
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2010-08-22 22:01

IGBT模塊的壽命

 1: 功率循環(huán)壽命: 外殼溫度變化很小但結溫變化頻繁時的工作模式下的壽命

 2: 熱循環(huán)壽命:系統(tǒng)從啟動到停止期間溫度相對緩慢變化的工作模式下的壽命

 

下圖是功率模塊的典型結構

 

當功率模塊結溫變化時, 由于膨脹系數(shù)的不同,在鋁線和硅片間、硅片和絕緣基片間將產(chǎn)生應力應變,如果應力一直重復,結合部的熱疲勞將導致產(chǎn)品失效。如下圖

 

在功率模塊殼溫變化相對緩慢而變化幅度大的工作模式下,由于絕緣基板和銅底板的膨脹系數(shù)不同,絕緣基板和銅底板之間的焊錫層將產(chǎn)生應力應變。

如果應力一直重復, 焊錫層將產(chǎn)生裂紋。如果裂紋擴大到硅片的下方,熱阻增大將導致熱失控;或者熱阻增加引起DTj 增加導致功率循環(huán)壽命下降,并最終導致引線剝離失效 。如下圖

 

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2010-08-22 22:12
@世界真奇妙
IGBT模塊的壽命 1:功率循環(huán)壽命: 外殼溫度變化很小但結溫變化頻繁時的工作模式下的壽命 2:熱循環(huán)壽命:系統(tǒng)從啟動到停止期間溫度相對緩慢變化的工作模式下的壽命 下圖是功率模塊的典型結構[圖片] 當功率模塊結溫變化時,由于膨脹系數(shù)的不同,在鋁線和硅片間、硅片和絕緣基片間將產(chǎn)生應力應變,如果應力一直重復,結合部的熱疲勞將導致產(chǎn)品失效。如下圖[圖片] 在功率模塊殼溫變化相對緩慢而變化幅度大的工作模式下,由于絕緣基板和銅底板的膨脹系數(shù)不同,絕緣基板和銅底板之間的焊錫層將產(chǎn)生應力應變。如果應力一直重復,焊錫層將產(chǎn)生裂紋。如果裂紋擴大到硅片的下方,熱阻增大將導致熱失控;或者熱阻增加引起DTj增加導致功率循環(huán)壽命下降,并最終導致引線剝離失效。如下圖[圖片] 

三菱IGBT功率模塊熱疲勞壽命(三菱提供)

 

 

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cheng111
LV.11
13
2010-08-23 09:23
@世界真奇妙
三菱IGBT功率模塊熱疲勞壽命(三菱提供)[圖片]  
好貼留印...了解
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2010-08-27 21:38

功率器件的并聯(lián)使用

要實現(xiàn)功率器件的并聯(lián)使用,應滿足兩個條件:

1、并聯(lián)使用功率器件的一致性好(要選用同一批次的)

2、其導通電阻或飽和壓降為正溫度系數(shù)

MOSFET的導通電阻都是正溫度系數(shù)的,很容易實現(xiàn)并聯(lián)使用

IGBT則不然,有的IGBT飽和壓降是負溫度系數(shù)的,有的IGBT飽和壓降是正溫度系數(shù)的。

負溫度系數(shù)飽和壓降的IGBT并聯(lián)使用難于均流,所以,不宜并聯(lián)使用。

正溫度系數(shù)飽和壓降的IGBT是可以并聯(lián)使用的,并且能夠達到很好的均流效果。

例如,INFINEONFF450R17ME3,下圖是其飽和壓降的溫度特性,當集電極電流大于100A時,飽和壓降有良好的正溫度系數(shù)。本人使用兩個模塊并聯(lián),輸出總電流400A交流有效值,實測并聯(lián)模塊電流的不均勻度小于5

    

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貼片機
LV.8
15
2010-08-27 21:55
@世界真奇妙
功率器件的并聯(lián)使用要實現(xiàn)功率器件的并聯(lián)使用,應滿足兩個條件:1、并聯(lián)使用功率器件的一致性好(要選用同一批次的)2、其導通電阻或飽和壓降為正溫度系數(shù)MOSFET的導通電阻都是正溫度系數(shù)的,很容易實現(xiàn)并聯(lián)使用IGBT則不然,有的IGBT飽和壓降是負溫度系數(shù)的,有的IGBT飽和壓降是正溫度系數(shù)的。負溫度系數(shù)飽和壓降的IGBT并聯(lián)使用難于均流,所以,不宜并聯(lián)使用。正溫度系數(shù)飽和壓降的IGBT是可以并聯(lián)使用的,并且能夠達到很好的均流效果。例如,INFINEON的FF450R17ME3,下圖是其飽和壓降的溫度特性,當集電極電流大于100A時,飽和壓降有良好的正溫度系數(shù)。本人使用兩個模塊并聯(lián),輸出總電流400A交流有效值,實測并聯(lián)模塊電流的不均勻度小于5% [圖片]   
能不能舉幾個負溫度系數(shù)的IGBT型號呀?我好像看到的都是正溫度系數(shù)的IGBT。
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lingqidian
LV.4
16
2010-08-28 11:23
@世界真奇妙
IGBT的主要技術參數(shù)之最大額定電流的定義:在一定的殼溫條件下,可以連續(xù)通過集電極的最大電流(直流)。我們必須關注的是:最大額定電流指的是直流,也就是說,不能有開關動作,而且,柵電壓為15V,即IGBT在良好導通的情況下。此時結溫不高于規(guī)格書中的最高值。而實際應用時總是有開關動作的,開關時的瞬時功耗遠遠大于導通時的瞬時功耗,一般正常工作時,導通時的峰值電流應小于其最大額定電流,應該小多少為合理呢?這個問題不能一概而論。這與所選的IGBT的品牌,開關速度,工作頻率,母線電壓,外殼溫度等等多種因素有關。最好向原生產(chǎn)商的技術支持咨詢。我曾經(jīng)向三菱作過咨詢,采用三菱的IGBT模塊,設計AC380V的通用變頻器,工作頻率6-7KHZ,選擇相應適用的系列型號。變頻器輸出額定電流的峰值應該設計為IGBT最大額定電流的1/2,通用變頻器一般允許最大150%過載,此時IGBT的峰值電流為IGBT最大額定電流的3/4。

請教樓主,突加載與短路時電流沖擊很大,對于一些特殊負載,比如燈泡冷態(tài),初始電阻很小,沖擊電流會非常大,相當于短路,這種情況如何設計區(qū)別短路?

如果限制了電流的話,可能實際應用中瞬態(tài)指標不能滿足(因為會掉電),如果不限制的話是不是只能選擇好一點的管子?

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2010-08-28 13:55
@貼片機
能不能舉幾個負溫度系數(shù)的IGBT型號呀?我好像看到的都是正溫度系數(shù)的IGBT。

三菱的CM400DU-24NFH,該器件最大額定電流為400A,這是一個開關速度很快的IGBT,其飽和壓降比較大,一般應用在工作頻率較高的地方,所以,總損耗較大,因此一般峰值電流在200A左右。從下圖可以清楚地看到,該IGBT集電極電流小于350A時,其飽和壓降為負溫度系數(shù)。

 

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holyfaith
LV.8
18
2010-08-28 15:10
好東西
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gz.daheng
LV.8
19
2010-08-28 15:35
贊!
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cheng111
LV.11
20
2010-08-29 21:44
@世界真奇妙
三菱的CM400DU-24NFH,該器件最大額定電流為400A,這是一個開關速度很快的IGBT,其飽和壓降比較大,一般應用在工作頻率較高的地方,所以,總損耗較大,因此一般峰值電流在200A左右。從下圖可以清楚地看到,該IGBT集電極電流小于350A時,其飽和壓降為負溫度系數(shù)。[圖片] 
樓主繼續(xù)...
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fly
21
2010-09-01 10:32

挺詳細的,頂一個

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jacob0110
LV.5
22
2010-09-02 16:49

這個世界確實很奇妙。。。。。。

期待繼續(xù)

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songxium
LV.7
23
2010-09-02 20:50
介紹的很詳細一般頻率高于20K用MOSFET,低于20K用IGBT。
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holyfaith
LV.8
24
2010-09-02 21:10
@songxium
介紹的很詳細一般頻率高于20K用MOSFET,低于20K用IGBT。
IGBT頻率雖小,但是功率可以做大。再大的時候可以用晶閘管
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jim li
LV.8
25
2010-09-14 09:29
@世界真奇妙
IGBT的主要技術參數(shù)之最大額定電流的定義:在一定的殼溫條件下,可以連續(xù)通過集電極的最大電流(直流)。我們必須關注的是:最大額定電流指的是直流,也就是說,不能有開關動作,而且,柵電壓為15V,即IGBT在良好導通的情況下。此時結溫不高于規(guī)格書中的最高值。而實際應用時總是有開關動作的,開關時的瞬時功耗遠遠大于導通時的瞬時功耗,一般正常工作時,導通時的峰值電流應小于其最大額定電流,應該小多少為合理呢?這個問題不能一概而論。這與所選的IGBT的品牌,開關速度,工作頻率,母線電壓,外殼溫度等等多種因素有關。最好向原生產(chǎn)商的技術支持咨詢。我曾經(jīng)向三菱作過咨詢,采用三菱的IGBT模塊,設計AC380V的通用變頻器,工作頻率6-7KHZ,選擇相應適用的系列型號。變頻器輸出額定電流的峰值應該設計為IGBT最大額定電流的1/2,通用變頻器一般允許最大150%過載,此時IGBT的峰值電流為IGBT最大額定電流的3/4。
學習.
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壓路機
LV.4
26
2010-09-14 09:45

挺詳細的,頂一個!!

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yuyan
LV.9
27
2010-09-14 20:56
@壓路機
挺詳細的,頂一個!![圖片]
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2010-09-15 13:18
@yuyan

頂    今天又長見識了 

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魚鰍貓
LV.5
29
2010-11-10 22:01
@shanghaiweiji
頂   今天又長見識了 
頂!樓主講得很精彩!
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jepsun
LV.9
30
2010-11-11 18:58
好貼。收藏。
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jianyedin
LV.9
31
2011-01-10 23:02
學習......
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