电力电子课程：第 7 部分 - 功率元件MOSFET和IGBT
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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(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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