摘 要：甚低頻發(fā)射機(jī)用來給潛艇發(fā)信，功率達(dá)數(shù)百千瓦至數(shù)千千瓦，如今可以采用MOSFET和IGBT等固態(tài)器件作為大功率開關(guān)放大器，但選擇MOSFET還是IGBT，設(shè)計(jì)人員需要做出選擇。分析了這兩類器件的開關(guān)特性及導(dǎo)通特性，比較了它們的工作特點(diǎn)，介紹了一種典型的大功率開關(guān)放大器應(yīng)用電路，討論了甚低頻發(fā)射機(jī)在選擇大功率放大器器件時(shí)應(yīng)考慮的一些條件，如頻率、電壓、開關(guān)時(shí)間等。

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關(guān)鍵詞：甚低頻；開關(guān)放大器；MOSFET；IGBT

中圖分類號：TN3，TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)11-100-03

Performance Analysis of Power Devices Used for VLF Solid-state Amplifier

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DONG Yinghui，LIU Chao，ZHAI Qi

(College of Electronic Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan，430033，China)

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Abstract：To apply high-power solid-state switch amplifier in VLF transmitter，the switch characters and on-state performances of MOSFET and IGBT are analysed，and their working characteristics are compared，then arepresentative application circuit of high power switch amplifier in VLF is introduced.Here we give a few basic guidelines of choice MOSFET or IGBT are givenwhen we design High-Power VLF solid-state amplifier .It indicates thatsomeparameters should be payed attention to such as frequency，voltage andswitch time，and so on.

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Keywords：VLF；switch amplifier；MOSFET；IGBT

在甚低頻發(fā)信系統(tǒng)中，甚低頻發(fā)射機(jī)工作頻率范圍一般為15～40 kHz，輸出功率通常達(dá)100~2 000 kW。以往，甚低頻發(fā)射機(jī)功率放大器功率器件均采用真空電子管，發(fā)射機(jī)效率低、體積大、操作復(fù)雜。半導(dǎo)體器件有著電真空器件無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如效率高、體積小、可靠性高、冷卻方式簡單等。固態(tài)化是甚低頻發(fā)射機(jī)的發(fā)展趨勢，它在提高甚低頻發(fā)射機(jī)效率的同時(shí)還可減小發(fā)射機(jī)及其附屬設(shè)施的體積，并且使維護(hù)和操作都變得簡單。在眾多器件中，只有金屬氧化物場效應(yīng)管(MOSFET)和絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)真正實(shí)現(xiàn)了高頻大功率，頻率可達(dá)到100 kHz，甚至更高。本文對MOSFET，IGBT器件的開關(guān)時(shí)間、導(dǎo)通電壓及導(dǎo)通損耗進(jìn)行了分析比較，認(rèn)為MOSFET和IGBT均能用作大功率功率器件，針對當(dāng)前大功率甚低頻發(fā)射機(jī)領(lǐng)域 MOSFET應(yīng)用較普遍的情況，指出IGBT也是一個(gè)較好的選擇。

1 功率MOSFET的開關(guān)特性及導(dǎo)通電阻

功率MOSFET屬于電壓全控型器件，導(dǎo)通與截止是通過控制MOSFET的柵源電壓UGS來實(shí)現(xiàn)的。輸入阻抗高，只需很小的門極電流使其導(dǎo)通或截止，驅(qū)動(dòng)功率小，大大簡化了驅(qū)動(dòng)電路，導(dǎo)通時(shí)僅需提供較小的UGS，例如UGS=15 V，截止僅需提供UGS=0 V；工作頻率高，可達(dá)兆赫茲。MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間ton包括導(dǎo)通延遲時(shí)間td(on)和上升時(shí)間tr， ton= td(on)+ tr；截止時(shí)間toff包括關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)和下降時(shí)間tf， toff= td(off)+ tf。APT5010JVFR型MOSFET的參數(shù)如表1所示，開關(guān)時(shí)間最大約為200 ns。器件選擇時(shí)，要求開關(guān)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于開關(guān)周期，若取周期為2 μs，其工作頻率可達(dá)500 kHz。開關(guān)頻率較高時(shí)，器件開關(guān)損耗會(huì)隨之增大，成為器件功率損耗的主要因素。

表1 MOSFET(APT5010JVFR)參數(shù)

漏-源間的導(dǎo)通電阻RDS(on)限制著MOSFET的的功率承受能力，尤其在高壓下，損耗主要?dú)w因于RDS(on)：



RDS(on)=Rsource+RCH+RA+RJ+RD+RSUB+RWCML

(1)



RDS(on)的組成如圖１所示，其中Rsource為源電阻，RCH為溝道電阻，RA為積聚電阻，RJ為結(jié)電阻，RD為漂移電阻，RSUB為底層電阻，RWCML為總的線電阻。對于高壓MOSFET，由于導(dǎo)電溝道較長，RDS(on)主要由外延層電阻REPI組成，為REPI=RA+RJ+RD，耐壓為600 V的MOSFET，REPI占RDS(on) 95％以上。隨著功率MOSFET耐壓的提高，RDS(on)的增長更快，使電流容量受到限制。高壓MOSFET的導(dǎo)通電阻隨著結(jié)溫的增加而增加，導(dǎo)通電阻與結(jié)溫的關(guān)系為：



RDS(on)#8226;TjRDS(on)#8226;(25 ℃)=(1+α100)Tj－25 ℃

(2)



其中α=0.6，…，0.9。例如125 ℃時(shí)的導(dǎo)通電阻大概是25 ℃時(shí)的2倍。導(dǎo)通損耗功率Pcon為:



Pcon  = I2D*RDS(on)

(3)



在高壓情況下，Pcon占MOSFET總損耗的2/3~4/5，使MOSFET在高壓下的應(yīng)用受到極大限制。圖2示出了MOSFET耐壓升高時(shí)各部分所占的損耗功率的比例。

圖1 MOSFET導(dǎo)通電阻的組成

圖2 不同電壓下MOSFET導(dǎo)通電阻的組成

2 IGBT的開關(guān)特性及導(dǎo)通損耗

IGBT也屬于電壓全控型器件，它是功率MOSFET 的派生器件，物理結(jié)構(gòu)上是MOSFET和BJT的結(jié)合體。IGBT具有開關(guān)頻率高、耐壓高、可靠性高和驅(qū)動(dòng)簡單等特點(diǎn)。盡管IGBT具有很高的開關(guān)速度(見表2FS150R12KE3型IGBT)，但它與MOSFET還有一定的差距，這主要是IGBT在關(guān)斷時(shí)，電流存在拖尾現(xiàn)象，如圖３所示，使其關(guān)斷時(shí)間延長，且增加了開關(guān)操作損耗。IGBT最大開關(guān)頻率主要受整體開關(guān)操作損耗的限制，在80～100kHz范圍內(nèi)應(yīng)用時(shí)，MOSFET 70％的損耗是由導(dǎo)通損耗引起的，而 IGBT 70％的損耗是由開關(guān)操作引起的。IGBT開關(guān)損耗高于MOSFET，使得IGBT更進(jìn)一步的快速化難以實(shí)現(xiàn)。導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，由于IGBT從芯片背面的P層有附加載流子注入，圖４ 所示，帶電載流子形成顯著的高度集中狀態(tài)，這類載流子與導(dǎo)通電流所提供的電子可保持平衡，其所集中的整體載流子為基本雜質(zhì)濃度的千百倍，因此可使導(dǎo)通電阻RDS(on)獲得大幅改善。在開關(guān)操作時(shí)，須大量釋放出載流子，在IGBT內(nèi)產(chǎn)生極具特色的“拖尾電流”。

表2 IGBT(FS150R12KE3)參數(shù)

圖3 IGBT和MOSFET在關(guān)斷時(shí)的

電流波形及功率損耗

IGBT為防止在雪崩電壓下自頂部P層向背面的P層穿透，其特征變化的厚度比同樣耐壓的MOSFET更厚，所以IGBT抗雪崩較差。若需在雪崩狀態(tài)下使用時(shí)，則要使用高耐壓的產(chǎn)品。對于耐壓500 V的MOSFET 產(chǎn)品，如用IGBT產(chǎn)品替代時(shí)則要求耐壓達(dá)600 V以上。但是，雖然在相同的耐壓條件下，IGBT的抗雪崩效應(yīng)低于MOSFET，但是IGBT可達(dá)到的雪崩電壓高，甚至到幾千伏，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于MOSFET，且承受電流大，達(dá)到上千安，這使得IGBT適合應(yīng)用在大電壓、高功率設(shè)備中，尤其適合用于電壓超過600 V，單管功率超過5 kW以上的設(shè)備中，在開關(guān)頻率允許的條件下，1個(gè)IGBT可取代多個(gè)大功率的MOSFET。

3 大功率固態(tài)放大器功率器件在甚低頻發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用

若選擇APT5010JVFR型MOSFET實(shí)現(xiàn)50 kW輸出，該器件開關(guān)時(shí)間為200 ns，耐壓為500 V，導(dǎo)通狀態(tài)漏極電流為44 A，為安全起見，其MOSFET的的使用參數(shù)定為Ea=0.5 VDSS，ID=0.25ID(on)，采用32個(gè)H功放橋，如圖5所示，共128個(gè)MOSFET通過功率合成網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)50 kW的輸出，圖6所示，每個(gè)H橋輸出約2 kW的功率。若要求輸出功率達(dá)到更高時(shí)，其所需的APT5010JVFR型MOSFET數(shù)量可達(dá)成千上萬個(gè)，不僅電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且出現(xiàn)故障的概率也很高。若選用FS150R12KE3型IGBT作為H橋功放器件實(shí)現(xiàn)50 kW輸出，雖然其開關(guān)時(shí)間為1 μs，與APT5010JVFR型MOSFET比有一定的差距，但對于甚低頻發(fā)射機(jī)是足夠的，而且其耐壓是APT5010JVFR的2倍、耐流是其3倍，則每個(gè)橋可輸出功率達(dá)12 kW，實(shí)現(xiàn)50 kW的功率輸出只需5個(gè)H橋，20只IGBT管子就可達(dá)到，大大減少了功率器件的數(shù)量，降低電路的復(fù)雜程度，提高了設(shè)備的可靠性。

圖4 IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖

圖5 H橋開關(guān)放大器

圖6 50 kW功率放大器組成框圖

圖7示出了MOSFET和IGBT工作頻率、電壓和電流的應(yīng)用范圍。從圖中可看出MOSFET在電壓低于500 V、電流低于100 A的中小功率(小于10 kW)領(lǐng)域占絕對優(yōu)勢，但當(dāng)電壓、電流要求較高時(shí)，IGBT占有優(yōu)勢；開關(guān)頻率為100 kHz以下時(shí)IGBT 和MOSFET都可以應(yīng)用，當(dāng)頻率超過100 kHz時(shí)，MOSFET以其開關(guān)速度快占

有絕對優(yōu)勢。當(dāng)然， IGBT在頻率方面，MOSFET在耐壓方面都在不斷進(jìn)行著技術(shù)改進(jìn)，以利于它們在高頻率、大電壓、高功率領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖7 MOSFET和IGBT的性能

4 結(jié) 語

MOSFET的開關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過甚低頻發(fā)射機(jī)的工作頻率，所以選擇MOSFET作為甚低頻功率器件時(shí)主要關(guān)心它的耐壓。單個(gè)MOSFET的工作電壓可達(dá)1 000 V，為留有余地，一般應(yīng)用選擇在500 V以下。電壓太高會(huì)使MOSFET導(dǎo)通電阻增長很快，導(dǎo)通損耗大大增加，因此單個(gè)MOSFET主要應(yīng)用在功率小于10 kW的場合。100~2 000 kW的大功率甚低頻發(fā)射機(jī)可用多組MOSFET功放模塊通過功率合成技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。但是，大功率應(yīng)用時(shí)模塊過多會(huì)使電路過于復(fù)雜。

選擇IGBT作為甚低頻功率器件時(shí)，因它的耐壓足夠高，所以主要關(guān)心其開關(guān)頻率。目前IGBT已經(jīng)完全可以取代75 kHz頻率范圍內(nèi)使用的MOSFET。IGBT應(yīng)用到大功率甚低頻發(fā)射機(jī)時(shí)，只需很少的IGBT器件就可實(shí)現(xiàn)100~2 000 kW的輸出功率，使得電路簡單。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］IGBT or MOSFET:Choose Wisely，Carl Blake and Chris Bull，International Rectifier.

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［2］High Efficiency Power Switches，Nasser Kutkut-Power Designers，LLC-Madison，WI.

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［3］IGBT and Power MOSFET Modules，by SEMIKRON，2005.

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［4］\\[美\\]Mchael Jacob J.功率電子學(xué)——原理與應(yīng)用\\[M\\].蔣曉穎，譯.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

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［5］\\[美\\]Bimal K Bose.現(xiàn)代電力電子學(xué)與交流傳動(dòng)\\[M\\].王聰，趙金，于慶廣，等譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

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［6］李現(xiàn)兵，師宇杰，王廣州.淺談現(xiàn)代電力電子器件的發(fā)展\\[J\\].變頻器世界，2005(3):117-120，128.

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作者簡介 董穎輝 女，1971年出生，陜西戶縣人，講師，碩士。主要研究方向?yàn)闈撏ㄐ?。?/p>

柳 超 男，1963年出生，湖南岳陽人，教授。主要研究方向?yàn)闈撏ㄐ?、天線研究。

翟 琦 男，1977年出生，山東淄博人，講師，碩士。主要研究方向?yàn)闈撏ㄐ拧?/p>

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。