功率器件的選擇

由于本設(shè)計(jì)中的變換器的應(yīng)用場合的電壓和電流都比較大，則除考慮效率因素外，選擇高性能功率器件是保證功放性能的重要環(huán)節(jié)。功率器件的特性主要有安全特性、開關(guān)特性和驅(qū)動(dòng)特性等。當(dāng)負(fù)載功率和頻響等指標(biāo)已知時(shí)，即可確定功率器件的主要參數(shù)，除此之外，還要考慮器件的經(jīng)濟(jì)性、驅(qū)動(dòng)電路是否簡單、安裝和散熱方法等。

隨著電子器件的發(fā)展和現(xiàn)代功率電子技術(shù)的成熟，新型功率半導(dǎo)體器件越采越多，在設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的功率器件。

1)在幾百kV·A以上的大容量和超大容量的逆變電路中，開關(guān)器件主要以GT0為主，如高壓直流輸電、大型電機(jī)驅(qū)動(dòng)、超大型UPS和大型化學(xué)電源，其容量都在幾百kV·A以上。但是在某些工頻場合下，有時(shí)也用SCR和TRIS，其中SCR主要還用于整流式電源設(shè)各。

2)在幾kV·A到幾百kV·A甚至上MV·A的中大容量的逆變器中，主開關(guān)器件將以IGBT為主，GTR雖然也已被廣泛地應(yīng)用，但是由于其具有驅(qū)動(dòng)功耗大、開關(guān)速度慢和二次擊穿問題等不足，因此將逐步被IGBT和其他新型開關(guān)器件所取代。這個(gè)容量等級的逆變器最多，應(yīng)用也最普遍，如交流電機(jī)變頻調(diào)速、UPS、逆變式弧焊電源、通信開關(guān)電源、有源濾波裝置、感應(yīng)加熱等。這類逆變器的逆變頻率一般為1OW、25kHz，電源的容量密度適中，比較理想，并且噪聲也比較小。

3)在幾kW以下的逆變電源中，主開關(guān)器件以VMOSFET為主，逆變頻率為幾十kHz至幾百kHz，有的還高達(dá)1MHz以上。這類電源的容量密度高，噪聲很小。如小型UPS、小型變頻器、醫(yī)用電源、照明、汽車、家用電器、小型開關(guān)電源、逆變器、電磁灶等。MOSFET屬于單極型、電壓驅(qū)動(dòng)控制晶體管器件。當(dāng)門控電壓足夠高時(shí)，器件完全導(dǎo)通，近似于閉合開關(guān);當(dāng)門控電壓低于門閾值時(shí)，器件關(guān)斷。它不但有自關(guān)斷能力，而且有驅(qū)動(dòng)功率小、工作速度高、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)寬等優(yōu)點(diǎn)，常用于中低壓場合，適合本設(shè)計(jì)。

根據(jù)電力電子開關(guān)器件的發(fā)展和各種開關(guān)器件的性能特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)逆變器電路時(shí)，對于主電路中功率開關(guān)器件的選擇一般應(yīng)該遵循以下幾個(gè)指導(dǎo)原則：

由于功率開關(guān)器件的性能參數(shù)對逆變電路的性能起著非常關(guān)鍵的作用，則選擇功率MOSFET時(shí)主要考慮功率管的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。功率管的靜態(tài)特性主要指功率MOSFET的輸出特性、飽和待性、轉(zhuǎn)移特性等;與靜態(tài)特性有關(guān)的參數(shù)主要有通態(tài)電阻、開啟電壓、跨導(dǎo)、最大電壓額定值和最大電流額定值。動(dòng)態(tài)特性主要影響功率MOSFET的開關(guān)過程，它和GTR的開關(guān)過程相似，也分為幾個(gè)階段;但是由于功率MOSFET是單極型器件，是靠多數(shù)載流子傳導(dǎo)電流的，本身的電阻效應(yīng)和渡越效應(yīng)對開關(guān)過程的影響可以忽略不計(jì)，因此在開關(guān)工作的機(jī)理上又與GTR有較大的差別。

在實(shí)際應(yīng)用中，主要考慮功率開關(guān)的以下幾個(gè)參數(shù)要求：功率開關(guān)在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，電路中流過的電流(即漏電流ioff)這個(gè)電流應(yīng)盡量小;功率開關(guān)在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，開關(guān)的自身的電壓降(Von)，這個(gè)值應(yīng)盡可能的小;功率開關(guān)從導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)的時(shí)間(ton)和從關(guān)斷狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)的時(shí)間(toff)盡可能小;用小的控制信號就能夠?qū)崿F(xiàn)功率開關(guān)的導(dǎo)通及關(guān)斷;功率開關(guān)即使在高速長時(shí)間反復(fù)導(dǎo)通與關(guān)斷的情況下工作，也不會(huì)損壞，也就是說要有較高的工作頻率(f)此外，體積小、重量輕、價(jià)格便宜也是設(shè)計(jì)者常常要考慮的因素。

在本系統(tǒng)中，負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電流最大為5A，供電電壓為12V，開關(guān)頻率取20kHz，采用IRE公司的IRF540作為主功率管已經(jīng)能夠滿足系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)要求。