第4章 主要元器件的选择
§4.1 无源器件
许多电气教科书中都假设电阻、电容和电感是线性的，其阻抗为：
对于电阻Z＝V/I=R
对于电容Z＝V/I=1/j2πfC
对于电感Z＝V/I=j2πfL
式中：f的单位是赫兹，Z、V、I是矢量。然而在实际中，所有的器件都有寄生电阻、寄生电容、寄生电感。这些寄生参数在低频时通常无关紧要，但是在高频时起着主要作用[14]。
§4.1.1 电阻器的高频模型
图4-1是实际电阻的集总阻抗模型。R是期望的电阻值，Ls是寄生串联电感，单位是亨利，Cp是寄生并联电容，单位是法拉第，由于电阻引线和内部结构产生的。在频率f处，电阻的阻抗是：
§4.1.2 电容器的高频模型
图4-2是实际电容的集总阻抗模型。C是希望的容值，单位是法拉第，Ls是寄生电感，单位是亨利。 是串联电阻，单位是欧姆。Rp是漏电阻，单位是欧姆。所有这些参数都是电容引线和内部结构产生的。在频率f处，电容的阻抗为：
§4.1.3 电感器的高频模型
图4-3是实际电感的集总阻抗摸型。L是希望的电感值，单位是亨利，Rp是漏电阻与磁心损耗之和、单位是欧姆。Rs是绕线电阻，单位是欧姆。Cp是电感引线和弥补结构产生的寄生电容，单位是法拉第。(注意：没有屏蔽的开放磁心电感是磁场的理想天线)在频率f处，实际中电感的阻抗，Rp很大，Rs很小，可以用以下公式来计算电感的阻抗：设
§4.2 有源器件
§4.2.1 快恢复二极管(FRED)
在过去的十几年中，电源电路发生了很大的变化，各种电路都能提高开关频率，以降低磁芯的体积和重量。这些变化深受各种新型的功率开关元件，如MOSFET和IGBT的影响。然而，各种拓扑中都需要快速二极管流过无功电流，或者用于整流（如果需要的输出是直流电压的话）。这时，二极管的开关特性必须与晶体管的开关特性相匹配，在开关电源、变频器和高频感应加热的逆变器中，都用到了这种快恢复二极管。二极管的导通特性和动态特性对功率损耗、效率和整机运行的安全程度都有很大的影响。我们以现在市场上流行的外延生长型快恢复二极管(FRED)为例简要讨论快恢复二极管的开关过程。
图4-4为典型的FRED二极管开关电流电压曲线。在正向导通时的n-外延层的电阻率由于过量少子(这种情况下是空穴)的注入大大的减小了，这时如果二极管中的电流换到另一个开关，二极管不能立刻恢复它的反向阻断能力，直到过量存储的电荷全部去除掉，这个过程只能通过电子与空穴的复合或者说是反向流过二极管的电流。虽然理想的二极管的这种反向恢复电流为零，但是实际上这种PN结复合的电荷通过形成一个复合中心向n-外延层注入电子形成的，这种复合的电荷被复合中心加速。这种复合的最终结果是存储的电荷被反向电流所复合并抽取，形成了一个负向的电流脉冲，这个脉冲被称为二极管的反向恢复电流。当反向恢复电流达到最大值〔Irm)时，PN结产生自由载流子的区域才开始承受反向电压。各种不同的工艺决定了反向恢复电流的 ，而 参数是相当重要的，因为它决定了将产生的电压峰值和换流时的dV/dt。
在耐压要求低于60V时，通常选用肖特基二极管，目前一些新型的肖特基二极管反向阻断电压可达300V；当耐压要求高于600V时，就只能选用FRED型二极管了。
§4.2.2 IGBT的结构与特性
一．IGBT的结构
绝缘栅双极晶体管(IGBT)是由一个场效应管和一个GTR以达林顿方式组合，所以IGBT既具有场效应管输入阻抗大驱动功率小的优点，又具有GTR通态电流大的特点，其简化等效电路如图4-5所示[15]。
IGBT是以GTR为主导件，MOSFET为驱动件的达林顿结构，IGBT的开通和关断是由门极电压来控制的。当门极电压加正电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而IGBT导通。在门极上加负电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。
二．IGBT的工作特性及安全工作区
在高频逆变电源中，需要对IGBT的特性有全面的了解才能设计出可靠的驱动和保护电路，这是设计高频逆变电源很重要的一环。在调试高频逆变电源驱动电路过程中，由于缺乏对IGBT的特性了解，出现过驱动波形不正常，IGBT被烧毁的现象。IGBT的损坏机理一般分为以下几种情况：
1、超过热极限。器件短路时的功耗将导致器件芯片温度迅速上升，若温度超过250℃，由于芯片材料硅的本征化将会导致IGBT迅速热击穿而损坏。
2、发生擎住效应[16]。IGBT结构上存在寄生晶闸管，在极大的短路电流下关断IGBT时极易发生动态擎住导致器件损坏。
3、器件过压击穿。大电流下关断IGBT时，极大的di/dt在回路电路中产生的关断电压尖峰有可能使IGBT因雪崩击穿而损坏。
IGBT短路时的安全工作特性由短路安全工作区(SCSOA) [17]来表述。图4-6[18]为富士电机公司IGBT的短路安全工作区，IGBT是不能持续工作于短路安全工作区的。富士电机公司明确将短路安全工作区称为非重复区，而将反偏安全工作区(RBSOA)称为重复区，IGBT工作于短路安全工作区的时间是有限制的。因此，不能认为凡是小于10μs的短路过流电流脉冲对IGBT均是完全安全的，在短路期间强大的电流脉冲将会缩短IGBT的使用寿命并有可能最终导致不可恢复性损坏，该脉冲宽度越窄越好，在IGBT短路时保护电路应尽快动作.
IGBT的特性和驱动条件密切相关。正偏置电压UGE增加，通态电压下降，开通能耗EON也下降。如果UGE固定不变，导通电压将随漏极电流增大而增高，开通损耗将随结温升高而升高[20]。负偏置电压-UGE直接影响IGBT的可靠运行，负偏电压升高时漏极浪涌电流明显下降，对关断能耗无显著影响。门极电阻RG增加，将使IGBT的开通和关断时间增加，因而使开通与关断能耗均增加，而门极电阻减小，可能引发IGBT误导通，同时RG上的损耗也有所增加。所以IGBT的关断特性将随基极驱动条件而改变。
经过实际调试并结合IGBT的原理及特性，得出驱动要求如下：
1、IGBT与MOSFET都是电压驱动，有一个2.5~5.0V的阀值电压，容性输入阻抗。IGBT对静电聚集敏感，驱动电路必须可靠，要保证有一条低阻抗放电电路，驱动电路与IGBT的连线要短。
2、用内阻小的驱动源对栅极电容放电，以保证栅极控制电压有足够陡的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外，IGBT开通以后，栅极驱动源应能提供足够的功率，使IGBT不致于退出饱和而损坏。
3、驱动电平+UGE必须综合考虑。+UGE增大时，IGBT通态压降和开通损耗均下降，但负载短路时的Ic增大，IGBT能承受短路电流的时间减少，对其安全不利，因此在有短路过程的设备中UGE应选的小些，一般选12~15V。
4、在关断的过程中，为尽快抽取PNP管中的存储电荷防止误导通，须增加一负偏压-UGE。但它受IGBT的GE间最大反向耐压限制，一般取-5V左右。
5、在大电感负载下，IGBT的关断时间不能太短，以限制di/dt所形成的尖峰电压，确保IGBT的安全。
6、IGBT用于高压场合，所以驱动电路和控制电路在电位上应严格隔离。实验调试的时候就发生过使用无隔离示波器测量两路驱动信号时发生主控制电路共地直通，烧毁IGBT和控制电路的现象[21]。
§4.3 小结
整机制做首先要选择合适的器件，本章通过分析各种器件的原理以及模型，对主要器件的参数、结构特性、驱动要求等进行了详细的说明。
