電力電子課程：第 7 部分 - 功率元件MOSFET和IGBT
讓我們繼續(xù)探索電力電子中使用的組件，忽略那些在開關(guān)狀態(tài)中用作開關(guān)的組件，同時使用一些SPICE 模擬來觀察它們的一般行為。
開關(guān)速度、最大容許電壓和電流，以及最重要的是 Rds (on)參數(shù)的降低只是最新模型改進(jìn)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(guān)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(guān)損耗是不可接受的。由于采用了“場效應(yīng)”技術(shù)，使用稱為 Power-mos 或場效應(yīng)功率晶體管的開關(guān)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(shù)百伏的電壓和數(shù)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(jié)。通過調(diào)節(jié)VGS電壓，可以控制導(dǎo)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(guān)速度快，開關(guān)時間約為幾十納秒，比 BJT 快數(shù)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(xù)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(yīng)。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(dǎo)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(dāng)控制電壓超過一定值時，Rds (on)參數(shù)很低，反之亦然，如果這個電壓為零，Rds (off)參數(shù)非常高，不允許任何電流流動。與 BJT 相比，MOSFET 具有另一個優(yōu)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(yīng)”就不會發(fā)生，器件也不會被破壞。該組件的切換速度非常快，并且由于其眾多優(yōu)點，它可以輕松地與其他單元并聯(lián)。
計算IRF530器件的Rds (on)和Rds (off)值非常簡單，靜態(tài)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(絕緣柵雙極晶體管)仍然廣泛用作電源電路中的開關(guān)器件。轉(zhuǎn)換器、逆變器和電機驅(qū)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(dǎo)體器件，由金屬氧化物半導(dǎo)體柵極(MOS)控制。此外，IGBT 具有單個 PN 結(jié)。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(shù)的優(yōu)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(guān)速度為代價。IGBT 是使用一個或多個帶有 VDMOS 型場效應(yīng)晶體管的 BJT 創(chuàng)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(dǎo)過程中還是在開關(guān)過程中。IGBT器件的端子如下：
· 閘機(控制終端);
· 集電極;
· 發(fā)射器。
通常，集電極和發(fā)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(shè)備的切換速度不是很快。圖2顯示了通過IKW30N65EL5 IGBT器件進(jìn)行PWM開關(guān)的實際應(yīng)用示例，其主要特點如下：
· 集電極-發(fā)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(fā)射極電壓 (Vge)：+/- 30 V;
· 功耗(Ptot)：227 W;
· 工作結(jié)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(gòu)成：
· VGE 電壓 (Vgate)，介于 0 V 和 30 V 之間。正是這個電壓驅(qū)動了柵極并觸發(fā)了器件的導(dǎo)通。在這種情況下，導(dǎo)通閾值大于 8 V;
· 集電極電流 (Ic)。可以看到，在6V到8V之間的Vg范圍內(nèi)，器件調(diào)節(jié)電流，就像電位器一樣，處于線性區(qū);
· 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(dǎo)致消耗的功率呈指數(shù)增長。在一般應(yīng)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(shè)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(tài)，則電壓降至最低水平。
· 效率：在靜態(tài)飽和條件下，器件的效率接近100%。
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