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    [導讀]在上一集中觀察到的雙極晶體管的缺點是開關時間太長,尤其是在高功率時。這樣,它們不能保證良好的飽和度,因此開關損耗是不可接受的。由于采用了“場效應”技術,使用稱為 Power-mos 或場效應功率晶體管的開關器件,這個問題已大大減少。在任何情況下,表示此類組件的最常用名稱是 MOSFET。

    讓我們繼續探索電力電子中使用的組件,忽略那些在開關狀態中用作開關的組件,同時使用一些SPICE 模擬來觀察它們的一般行為。

    開關速度、最大容許電壓和電流,以及最重要的是 Rds (on)參數的降低只是最新模型改進的幾個例子。

    功率MOSFET

    在上一集中觀察到的雙極晶體管的缺點是開關時間太長,尤其是在高功率時。這樣,它們不能保證良好的飽和度,因此開關損耗是不可接受的。由于采用了“場效應”技術,使用稱為 Power-mos 或場效應功率晶體管的開關器件,這個問題已大大減少。在任何情況下,表示此類組件的最常用名稱是 MOSFET。功率 MOSFET通常是 N 溝道器件,能夠承受數百伏的電壓和數十安培的電流。它們用正 VDS 電壓偏置,但在沒有它的情況下,只有很小的漏電流通過 PN 結。通過調節VGS電壓,可以控制導電溝道的寬度和器件的等效RDS電阻,范圍從非常高的值(Rds (off) )到非常低的值(Rds (on))。它們的特點是開關速度快,開關時間約為幾十納秒,比 BJT 快數百倍。因此,端子是柵極、漏極和源極。柵極由多晶硅制成,并通過薄氧化層與整個器件隔離。通常,在同一器件中插入一個續流二極管,放置在漏極和源極端子之間。 MOSFET 的電源原理圖,以及通過改變電壓 VGD 和電壓 VDS 的相對電流響應。在本例中,使用的 MOSFET 模型是 IRF530,其 SPICE 模型如下:

    .model IRF530 VDMOS(Rg=3 Vto=4 Rd=50m Rs=12m Rb=60m Kp=5 lambda=.01 Cgdmax=1n Cgdmin=.26n Cgs=.2n Cjo=.4n Is=52p ksubthres=.1 mfg =International_Rectifier Vds=100 Ron=160m Qg=26n)

    如果 VDS 電壓超過允許的最大值,電流會急劇增加并導致器件立即擊穿。MOSFET的行為類似于由施加到柵極的控制電壓控制的可變電阻器。當控制電壓超過一定值時,Rds (on)參數很低,反之亦然,如果這個電壓為零,Rds (off)參數非常高,不允許任何電流流動。與 BJT 相比,MOSFET 具有另一個優勢。漏極和源極之間的電阻隨著溫度的升高而增加,從而限制了傳輸中的電流量。這樣,晶體管典型的“雪崩效應”就不會發生,器件也不會被破壞。該組件的切換速度非???,并且由于其眾多優點,它可以輕松地與其他單元并聯。

    計算IRF530器件的Rds (on)和Rds (off)值非常簡單,靜態柵極電壓分別為20V和0V。

    如您所見,這是一個極低的電阻,可能甚至低于相同的連接、電纜和 PCB。盡管電流傳輸很重要,但通過這種方式,器件的熱耗散降至最低。

    實際上,DS 通道是一個開路,只有最小的漏電流通過,大約為皮安。

    IGBT

    IGBT(絕緣柵雙極晶體管)仍然廣泛用作電源電路中的開關器件。轉換器、逆變器和電機驅動器大量使用這種類型的組件。IGBT是一種具有四個交替層(PNPN)的半導體器件,由金屬氧化物半導體柵極(MOS)控制。此外,IGBT 具有單個 PN 結。實際上,它們是雙極晶體管和功率 MOSFET 之間的混合器件,可以承受更高的電壓和電流,甚至高于 1000 V 和 1000 A。實際上,這些組件利用了 BJT 和 MOSFET 技術的優勢。它們允許獲得低溝道電阻,即使它們的特點是高擊穿電壓,但以犧牲開關速度為代價。IGBT 是使用一個或多個帶有 VDMOS 型場效應晶體管的 BJT 創建的。通過這種方式,它具有非常高的輸入阻抗,并且在電流傳輸方面與 BJT 的行為相似,無論是在傳導過程中還是在開關過程中。IGBT器件的端子如下:

    · 閘機(控制終端);

    · 集電極;

    · 發射器。

    通常,集電極和發射極之間的電流(正 VCE 偏壓)通過以大于最小閾值電壓的正電壓 VGE 作用于柵極來控制。不幸的是,該設備的切換速度不是很快。圖2顯示了通過IKW30N65EL5 IGBT器件進行PWM開關的實際應用示例,其主要特點如下:

    · 集電極-發射極電壓(Vce):650 V;

    · 直流集電極電流(Ic):85 A;

    · 脈沖集電極電流:120 A;

    · 柵極-發射極電壓 (Vge):+/- 30 V;

    · 功耗(Ptot):227 W;

    · 工作結溫 (Tvj):介于 -40° C 和 +175° C 之間。

    圖中的圖形處于柵極電壓域,由以下曲線構成:

    · VGE 電壓 (Vgate),介于 0 V 和 30 V 之間。正是這個電壓驅動了柵極并觸發了器件的導通。在這種情況下,導通閾值大于 8 V;

    · 集電極電流 (Ic)??梢钥吹?,在6V到8V之間的Vg范圍內,器件調節電流,就像電位器一樣,處于線性區;

    · 器件消耗的功率 (Ptot):這條曲線代表了最壞的操作情況,因為電壓和電流都處于非常高的水平,導致消耗的功率呈指數增長。在一般應用中,必須避免使 IGBT 在這種情況下工作;

    · 漏極電壓 (Vd):它是此端子上的電壓。如果設備被停用并打開,則電壓等于 VCC 的值。如果它被激活并處于 ON 狀態,則電壓降至最低水平。

    · 效率:在靜態飽和條件下,器件的效率接近100%。


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