MOSFETs與IGBTs的基本特性和應(yīng)用

MOSFET電源是一種電壓控制裝置,其功率小于BJT等當(dāng)前控制裝置,這些裝置沒有電壓,需要連續(xù)的門源電壓才能保持,類似于BJT。 然而,MOSFET的特異切換速度是其不同的,它超過了所有其他電開關(guān)的超速,并且以兆赫的順序運(yùn)行。

MOSFET有兩種類型:消耗和增強(qiáng)。

耗竭型MOSFET功能為正常電開關(guān),而增強(qiáng)型MOSFET功能為正常斷電開關(guān)。

MOSFET Structure

MOSFET是電子裝置,擁有四個(gè)終端,即源(S)、門(G)、排水(D)和身體終端,身體終端經(jīng)常與源終端連接,從而減少可用終端的總數(shù)。

圖11顯示了N-氣道增強(qiáng)型MOSFET的配置和符號(hào),該氣道增強(qiáng)型MOSFET是一個(gè)由p型材料和大量排水的N排水區(qū)和源區(qū)域組成的基體。

Figure 13. N-channel enhancement type MOSFET

圖12描繪了P-通道增強(qiáng)型MOSFET的配置和標(biāo)志,MOSFET由正充電孔運(yùn)動(dòng)推動(dòng)的N型基質(zhì)和大量傾斜的排水區(qū)和源區(qū)域組成,這是一個(gè)P-通道MOSFET。

Figure 14. P-channel enhancement type MOSFET

MOSFET Operation and 特征特征

在N-氣道增強(qiáng)型MOSFET中,正門到源電壓的應(yīng)用導(dǎo)致電子從底部的p-物質(zhì)中吸引,導(dǎo)致電子在氧化層下的表面積累。在達(dá)到臨界電壓(VT)時(shí),大量電子積累形成一個(gè)虛擬電道,從而使電流從排水管流向源。P-氣道的功能類似,電流的流量歸因于正電孔,電流和電壓的極性被逆轉(zhuǎn)。

Figure 15. Output characteristics of N-channel enhancement-type MOSFET

圖13展示了N-通道增強(qiáng)型MOSFET的輸出特性,顯示了三個(gè)不同的操作區(qū)域:截?cái)?、線性和飽和(活性)區(qū)域。必須指出的是,飽和區(qū)的概念不同于BJTs。當(dāng)VGS < Vt;VT時(shí),設(shè)備關(guān)閉并在截?cái)鄥^(qū)運(yùn)行。相反,VGS > Vt;VT,該設(shè)備可以以線性模式或飽和模式運(yùn)行。在線性(或奧密)模式中,VDS < VGS-VT,而飽和模式中,VDS > VGS-VT。在線性模式中,排流流(ID)與排出源電壓(VDS)成比例差異。電源MOSFET通常在線性區(qū)域用于切換應(yīng)用,因?yàn)樗鼈兊呐潘康秃透吲潘娏?。相?排水流在飽和模式中幾乎保持不變,不管VDS的任何變化。

Figure 16. MOSFET switching characteristics

在電子電源中,開關(guān)延遲時(shí)間(td(on))的定義是,門源電壓超過VGS10%的點(diǎn)與排氣源電壓降至VDS90%的點(diǎn)之間的時(shí)間間隔。升幅時(shí)間(tr)是指排水和源之間的電壓從90%下降到VDS10%所需的時(shí)間間隔。開關(guān)時(shí)間(ton)是指總和td(on)和t.相應(yīng)而言,開關(guān)延遲時(shí)間(td(off))是開關(guān)電壓降至VGS90%以下的點(diǎn)與排氣源電壓降至VDS10%的點(diǎn)之間的間隔。跌幅時(shí)間(tf)是指排水源電壓從10%升至90%VDS的期間。開關(guān)時(shí)間間隔是Td(d)和tf的平衡時(shí)間。

MOSFET Applications

MOSFET在各種電力電子應(yīng)用中廣泛使用。

DC-DC Converters

DC-DC轉(zhuǎn)換器可以使用MOSFETs來操作,MOSFETs能夠控制各種轉(zhuǎn)換器操作方式的電流,這在壓壓轉(zhuǎn)換器中特別適用。

Motor Control

MOSFET用于運(yùn)動(dòng)控制,據(jù)此可以通過采用諸如脈搏寬度運(yùn)動(dòng)(PWM)等各種方法來管制DC或繼者運(yùn)動(dòng)的行為。

Other Applications

它們也用于倒置器、交換式電源、直升機(jī)、不間斷電源等。

Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)

隔熱加特雙極晶體管(IGBT)是一種半導(dǎo)體裝置,有三個(gè)終端,結(jié)合了雙極交叉晶體管(BJTs)和金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOSFETs)的特性,包括高輸入阻力和低狀態(tài)導(dǎo)電損失,使IGBT適合高壓和高流應(yīng)用。

IGBT Structure

圖15中的圖表顯示了N-通道隔熱門雙極晶體管(IGBT)的配置。金屬連接將采集器、發(fā)射器和大門終端與結(jié)構(gòu)連接起來。 IGBT由于存在四個(gè)交替層(PNPN),具有預(yù)定的操作特性。

Figure 17. Structure and symbol of N-channel IGBT

IGBT Operation

IGBT 以兩種主要模式運(yùn)行, 即前阻塞模式和導(dǎo)流模式, 由收藏家、 發(fā)射者和地面的相對(duì)電壓決定。 當(dāng)大門和發(fā)射者處于地面潛力時(shí), 采集者有正電壓, J1 和 J3 偏向前進(jìn), 而 J2 則反向偏向, 從而將IGBT 置于前阻塞模式中, 從而阻止電流流動(dòng)。 相反, 當(dāng)大門和采集者有正電壓, 以及發(fā)射者被禁時(shí), 對(duì)大門施壓會(huì)產(chǎn)生反向效應(yīng), 通過連接大門附近的 n 和 n 材料來創(chuàng)建通道。 這導(dǎo)致n 區(qū)域的電子被推向 n 區(qū)域中心, 也稱為漂移區(qū)域, 從而降低連接點(diǎn) J1 的潛力, 并導(dǎo)致洞流入中 n 區(qū)域。 這最終導(dǎo)致一個(gè)洞等離, 從而將裝置推向偏向前, 并允許導(dǎo)流向當(dāng)前 。

Figure 18. Simplified equivalent circuit of N-channel IGBT

如圖16所示,可以通過簡化的等效電路理解IGBT的操作。

可以看到,如果MOSFET不開火(即如果VGE < VTH),BJT不行動(dòng)。另一方面,如果VGE > VTH表示MOSFET被打開,BJT就會(huì)行動(dòng),因?yàn)楫?dāng)前路徑被創(chuàng)建到BJT基地,允許流經(jīng)BJT的基底。

IGBT 特征特征

IGBT的基本屬性是其傳輸和輸出特性。

Figure 19. IGBT transfer characteristics

如圖17所示,IGBT的轉(zhuǎn)移特性顯示了Ic和VGE之間的關(guān)系。IGBT和MOSFETs的轉(zhuǎn)移特性有相似之處。采集器的流流需要門與發(fā)射器之間的最低閾值電壓VTH。當(dāng)大門發(fā)射潛能低于閾值電壓時(shí),IGBT仍留在境外。相反,當(dāng)門電壓超過閾值電壓時(shí),轉(zhuǎn)移曲線顯示排水流大部分的線性。

Figure 20. IGBT output characteristics

IGBT的輸出特性,特別是收集器電流(Ic)和收集器-發(fā)射電壓(VCE)之間的關(guān)系,見圖18。 雖然MOSFET的輸出特性與BJT相似,但I(xiàn)GBT的控制變量是VCE,因?yàn)樗请妷嚎刂蒲b置,開關(guān)和開關(guān)時(shí)間的概念也適用于IGBT,類似于MOSFET。

IGBT Application

IGBT廣泛用于各種高功率應(yīng)用。

機(jī)動(dòng)車驅(qū)動(dòng)器:在汽車、航空航天和消費(fèi)品等各種行業(yè)中,電動(dòng)機(jī)動(dòng)車速度的監(jiān)管和控制是電動(dòng)機(jī)動(dòng)車速度的有機(jī)組成部分,在機(jī)動(dòng)車驅(qū)動(dòng)器方面,電動(dòng)源轉(zhuǎn)換器采用電動(dòng)機(jī)動(dòng)車,將固定的DC電壓轉(zhuǎn)換成電動(dòng)電壓,頻率和振幅不一,然后使用電動(dòng)電動(dòng)電動(dòng)控制速度和扭動(dòng)速度,目前高的裝卸能力和快速轉(zhuǎn)換速度有利于高效和精確的機(jī)動(dòng)車控制,從而提高性能、能效并降低維修費(fèi)用。

電源供應(yīng):IGBT經(jīng)常用于高壓和高流應(yīng)用的轉(zhuǎn)換電源,包括焊接設(shè)備、不間斷電源和高電源DC-DC轉(zhuǎn)換器。 IGBT的低電壓下降和高開關(guān)速度有助于提高電力供應(yīng)系統(tǒng)的效率和減少熱耗。

可再生能源系統(tǒng):在太陽能和風(fēng)能系統(tǒng)中,逆向器利用隔熱門雙極晶體管(IGBT 指數(shù))將太陽能電池板或風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的波動(dòng)式DC電力轉(zhuǎn)換成AC電力,這些應(yīng)用中使用IGBT 指數(shù)有助于迅速和準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)電壓和當(dāng)前的波形,這對(duì)于維持最大電點(diǎn)跟蹤和高效能源轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。

電動(dòng)車輛:電動(dòng)車輛的牽引倒轉(zhuǎn)器使用IGBT,因?yàn)檫@些反轉(zhuǎn)器負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)向驅(qū)動(dòng)車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力;國際GBT的高電壓和當(dāng)前評(píng)級(jí)使其能夠有效管理電動(dòng)車輛推進(jìn)系統(tǒng)的高功率需求;此外,這些電動(dòng)車輛的快速開關(guān)速度和最低狀態(tài)電壓下降有助于提高效率和減少熱發(fā)電,這些是延長電動(dòng)車輛駕駛范圍和電池壽命的關(guān)鍵因素。

電網(wǎng)設(shè)備:在電網(wǎng)設(shè)備中,特別是高壓直接電流傳輸系統(tǒng)和彈性AC傳輸系統(tǒng)(FACTS)中,IGBT系統(tǒng)廣泛使用,在高壓源轉(zhuǎn)換器(VSCs)中,IGBT系統(tǒng)被用來將電流互換電源轉(zhuǎn)換成直接電流,以便進(jìn)行遠(yuǎn)距離有效傳輸;如Static同步補(bǔ)償器(STATCOMs)和Stantic VAR補(bǔ)償器(SVCs)等FATS設(shè)備,利用IGBT系統(tǒng)以高精確度和高速調(diào)節(jié)電網(wǎng)反應(yīng)力的流動(dòng),從而改進(jìn)電力質(zhì)量、穩(wěn)定性和可靠性。

General Transistor 特征特征

在晶體管設(shè)計(jì)中,必須考慮某些特性,以確保安全和最佳操作,其中包括對(duì)dv/dt和di/dt的限制,如果超過這些限制,可能會(huì)對(duì)裝置造成損害。為了在可接受的限度內(nèi)保持這些速度,保護(hù)線路是必要的。由RC電路組成的靜脈電路通常用來限制dv/dt,而作為序列導(dǎo)管的系列靜脈電路則用來限制d/dt?？缇Ч苓€有一個(gè)安全操作區(qū),它界定了安全操作的最大電流和電壓限制。為了提高晶體管的電壓處理能力,它們可以連成一系列連接,同時(shí)連接它們可以增加其電流載能力。然而,使用具有類似特性的晶體管,對(duì)于確保最佳操作和防止裝置受損至關(guān)重要。

表1匯總了動(dòng)力晶體管關(guān)鍵特征的比較。

Table 1. Power Transistors Comparison

Conclusion

電能的有效調(diào)控和轉(zhuǎn)換嚴(yán)重依賴電力半導(dǎo)體裝置,因此,電子工程師和從事電力電子設(shè)備的從業(yè)人員應(yīng)全面了解二極管、胸腺、BJTs、MOSFETs和IGBT 指數(shù)等不同裝置的基本特性和應(yīng)用。每種裝置都有其適合特定用途的特性。通過為特定應(yīng)用仔細(xì)選擇最合適的裝置,工程師可以提高電力電子系統(tǒng)的性能、效率和可靠性。此外,這種知識(shí)還可以幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)師優(yōu)化電力電子裝置和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

責(zé)任編輯：彭菁