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電力電子課程：第 7 部分 - 功率元件MOSFET和IGBT

時間：2022-09-07 11:30:01

關鍵字：電力電子 MOSFET IGBT

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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(xù)探索電力電子中使用的組件，忽略那些在開關狀態(tài)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(jié)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(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。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(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”就不會發(fā)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(yōu)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(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

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(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(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(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(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(fā)了器件的導通。在這種情況下，導通閾值大于 8 V;