讓我們繼續(xù)探索電力電子中使用的組件，忽略那些在開(kāi)關(guān)狀態(tài)中用作開(kāi)關(guān)的組件，同時(shí)使用一些SPICE 模擬來(lái)觀察它們的一般行為。

開(kāi)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(gè)例子。

功率MOSFET

在上一集中觀察到的雙極晶體管的缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)時(shí)間太長(zhǎng)，尤其是在高功率時(shí)。這樣，它們不能保證良好的飽和度，因此開(kāi)關(guān)損耗是不可接受的。由于采用了“場(chǎng)效應(yīng)”技術(shù)，使用稱(chēng)為 Power-mos 或場(chǎng)效應(yīng)功率晶體管的開(kāi)關(guān)器件，這個(gè)問(wèn)題已大大減少。在任何情況下，表示此類(lèi)組件的最常用名稱(chēng)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(méi)有它的情況下，只有很小的漏電流通過(guò) PN 結(jié)。通過(guò)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(diǎn)是開(kāi)關(guān)速度快，開(kāi)關(guān)時(shí)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(guò)薄氧化層與整個(gè)器件隔離。通常，在同一器件中插入一個(gè)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(guò)改變電壓 VGD 和電壓 VDS 的相對(duì)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(guò)允許的最大值，電流會(huì)急劇增加并導(dǎo)致器件立即擊穿。MOSFET的行為類(lèi)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(guò)一定值時(shí)，Rds (on)參數(shù)很低，反之亦然，如果這個(gè)電壓為零，Rds (off)參數(shù)非常高，不允許任何電流流動(dòng)。與 BJT 相比，MOSFET 具有另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。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(huì)發(fā)生，器件也不會(huì)被破壞。該組件的切換速度非?？?，并且由于其眾多優(yōu)點(diǎn)，它可以輕松地與其他單元并聯(lián)。

計(jì)算IRF530器件的Rds (on)和Rds (off)值非常簡(jiǎn)單，靜態(tài)柵極電壓分別為20V和0V。

如您所見(jiàn)，這是一個(gè)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(guò)這種方式，器件的熱耗散降至最低。

實(shí)際上，DS 通道是一個(gè)開(kāi)路，只有最小的漏電流通過(guò)，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(kāi)關(guān)器件。轉(zhuǎn)換器、逆變器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器大量使用這種類(lèi)型的組件。IGBT是一種具有四個(gè)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(gè) PN 結(jié)。實(shí)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(shí)際上，這些組件利用了 BJT 和 MOSFET 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。它們?cè)试S獲得低溝道電阻，即使它們的特點(diǎn)是高擊穿電壓，但以犧牲開(kāi)關(guān)速度為代價(jià)。IGBT 是使用一個(gè)或多個(gè)帶有 VDMOS 型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的 BJT 創(chuàng)建的。通過(guò)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(wú)論是在傳導(dǎo)過(guò)程中還是在開(kāi)關(guān)過(guò)程中。IGBT器件的端子如下：

· 閘機(jī)(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(guò)以大于最小閾值電壓的正電壓 VGE 作用于柵極來(lái)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(guò)IKW30N65EL5 IGBT器件進(jìn)行PWM開(kāi)關(guān)的實(shí)際應(yīng)用示例，其主要特點(diǎn)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(xiàn)構(gòu)成：

· VGE 電壓 (Vgate)，介于 0 V 和 30 V 之間。正是這個(gè)電壓驅(qū)動(dòng)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(xiàn)性區(qū);

· 器件消耗的功率 (Ptot)：這條曲線(xiàn)代表了最壞的操作情況，因?yàn)殡妷汉碗娏鞫继幱诜浅８叩乃?，?dǎo)致消耗的功率呈指數(shù)增長(zhǎng)。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(kāi)，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%。