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[导读]在上一集中观察到的双极晶体管的缺点是开关时间太长,尤其是在高功率时。这样,它们不能保证良好的饱和度,因此开关损耗是不可接受的。由于采用了“场效应”技术,使用称为 Power-mos 或场效应功率晶体管的开关器件,这个问题已大大减少。在任何情况下,表示此类组件的最常用名称是 MOSFET。

让我们继续探索电力电子中使用的组件,忽略那些在开关状态中用作开关的组件,同时使用一些SPICE 模拟来观察它们的一般行为。

开关速度、最大容许电压和电流,以及最重要的是 Rds (on)参数的降低只是最新模型改进的几个例子。

功率MOSFET

在上一集中观察到的双极晶体管的缺点是开关时间太长,尤其是在高功率时。这样,它们不能保证良好的饱和度,因此开关损耗是不可接受的。由于采用了“场效应”技术,使用称为 Power-mos 或场效应功率晶体管的开关器件,这个问题已大大减少。在任何情况下,表示此类组件的最常用名称是 MOSFET。功率 MOSFET通常是 N 沟道器件,能够承受数百伏的电压和数十安培的电流。它们用正 VDS 电压偏置,但在没有它的情况下,只有很小的漏电流通过 PN 结。通过调节VGS电压,可以控制导电沟道的宽度和器件的等效RDS电阻,范围从非常高的值(Rds (off) )到非常低的值(Rds (on))。它们的特点是开关速度快,开关时间约为几十纳秒,比 BJT 快数百倍。因此,端子是栅极、漏极和源极。栅极由多晶硅制成,并通过薄氧化层与整个器件隔离。通常,在同一器件中插入一个续流二极管,放置在漏极和源极端子之间。 MOSFET 的电源原理图,以及通过改变电压 VGD 和电压 VDS 的相对电流响应。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 电压超过允许的最大值,电流会急剧增加并导致器件立即击穿。MOSFET的行为类似于由施加到栅极的控制电压控制的可变电阻器。当控制电压超过一定值时,Rds (on)参数很低,反之亦然,如果这个电压为零,Rds (off)参数非常高,不允许任何电流流动。与 BJT 相比,MOSFET 具有另一个优势。漏极和源极之间的电阻随着温度的升高而增加,从而限制了传输中的电流量。这样,晶体管典型的“雪崩效应”就不会发生,器件也不会被破坏。该组件的切换速度非常快,并且由于其众多优点,它可以轻松地与其他单元并联。

计算IRF530器件的Rds (on)和Rds (off)值非常简单,静态栅极电压分别为20V和0V。

如您所见,这是一个极低的电阻,可能甚至低于相同的连接、电缆和 PCB。尽管电流传输很重要,但通过这种方式,器件的热耗散降至最低。

实际上,DS 通道是一个开路,只有最小的漏电流通过,大约为皮安。

IGBT

IGBT(绝缘栅双极晶体管)仍然广泛用作电源电路中的开关器件。转换器、逆变器和电机驱动器大量使用这种类型的组件。IGBT是一种具有四个交替层(PNPN)的半导体器件,由金属氧化物半导体栅极(MOS)控制。此外,IGBT 具有单个 PN 结。实际上,它们是双极晶体管和功率 MOSFET 之间的混合器件,可以承受更高的电压和电流,甚至高于 1000 V 和 1000 A。实际上,这些组件利用了 BJT 和 MOSFET 技术的优势。它们允许获得低沟道电阻,即使它们的特点是高击穿电压,但以牺牲开关速度为代价。IGBT 是使用一个或多个带有 VDMOS 型场效应晶体管的 BJT 创建的。通过这种方式,它具有非常高的输入阻抗,并且在电流传输方面与 BJT 的行为相似,无论是在传导过程中还是在开关过程中。IGBT器件的端子如下:

· 闸机(控制终端);

· 集电极;

· 发射器。

通常,集电极和发射极之间的电流(正 VCE 偏压)通过以大于最小阈值电压的正电压 VGE 作用于栅极来控制。不幸的是,该设备的切换速度不是很快。图2显示了通过IKW30N65EL5 IGBT器件进行PWM开关的实际应用示例,其主要特点如下:

· 集电极-发射极电压(Vce):650 V;

· 直流集电极电流(Ic):85 A;

· 脉冲集电极电流:120 A;

· 栅极-发射极电压 (Vge):+/- 30 V;

· 功耗(Ptot):227 W;

· 工作结温 (Tvj):介于 -40° C 和 +175° C 之间。

图中的图形处于栅极电压域,由以下曲线构成:

· VGE 电压 (Vgate),介于 0 V 和 30 V 之间。正是这个电压驱动了栅极并触发了器件的导通。在这种情况下,导通阈值大于 8 V;

· 集电极电流 (Ic)。可以看到,在6V到8V之间的Vg范围内,器件调节电流,就像电位器一样,处于线性区;

· 器件消耗的功率 (Ptot):这条曲线代表了最坏的操作情况,因为电压和电流都处于非常高的水平,导致消耗的功率呈指数增长。在一般应用中,必须避免使 IGBT 在这种情况下工作;

· 漏极电压 (Vd):它是此端子上的电压。如果设备被停用并打开,则电压等于 VCC 的值。如果它被激活并处于 ON 状态,则电压降至最低水平。

· 效率:在静态饱和条件下,器件的效率接近100%。


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