变流器的核心器件－MOSFET和IGBT讨论

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。

IGBT中文称之为场效应双极晶体管或隔离栅双极晶体管。IGBT已经被各种电力电子产品广泛应用，在中大功率的变流器中为主流器件。IGBT的应用技术远比MOSFET复杂，有必要对IGBT应用技术作深入的探讨。
IGBT的目标用户
l         主要目标用户为驱动各类电机的调速
l         新能源的变流器：风能发电，太阳能发电（光伏）
l         稳压开关电源类，高频直流焊机（恒流）等。
l         其他：谐波治理，高压直流输变电，电磁炉，UPS等等。

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。

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。