MOSFET電源是一種電壓控制裝置,其功率小于BJT等當前控制裝置,這些裝置沒有電壓,需要連續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的超速,并且以兆赫的順序運行。

MOSFET有兩種類型:消耗和增強。

耗竭型MOSFET功能為正常電開關,而增強型MOSFET功能為正常斷電開關。

MOSFET Structure

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

圖11顯示了N-氣道增強型MOSFET的配置和符號,該氣道增強型MOSFET是一個由p型材料和大量排水的N排水區和源區域組成的基體。

Figure 13. N-channel enhancement type MOSFET

圖12描繪了P-通道增強型MOSFET的配置和標志,MOSFET由正充電孔運動推動的N型基質和大量傾斜的排水區和源區域組成,這是一個P-通道MOSFET。

Figure 14. P-channel enhancement type MOSFET

MOSFET Operation and 特征特征

在N-氣道增強型MOSFET中,正門到源電壓的應用導致電子從底部的p-物質中吸引,導致電子在氧化層下的表面積累。在達到臨界電壓(VT)時,大量電子積累形成一個虛擬電道,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。

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

圖13展示了N-通道增強型MOSFET的輸出特性,顯示了三個不同的操作區域:截斷、線性和飽和(活性)區域。必須指出的是,飽和區的概念不同于BJTs。當VGS < Vt;VT時,設備關閉并在截斷區運行。相反,VGS > Vt;VT,該設備可以以線性模式或飽和模式運行。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通常在線性區域用于切換應用,因為它們的排水量低和高排水電流。相反,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,開關延遲時間(td(on))的定義是,門源電壓超過VGS10%的點與排氣源電壓降至VDS90%的點之間的時間間隔。升幅時間(tr)是指排水和源之間的電壓從90%下降到VDS10%所需的時間間隔。開關時間(ton)是指總和td(on)和t.相應而言,開關延遲時間(td(off))是開關電壓降至VGS90%以下的點與排氣源電壓降至VDS10%的點之間的間隔。跌幅時間(tf)是指排水源電壓從10%升至90%VDS的期間。開關時間間隔是Td(d)和tf的平衡時間。

MOSFET Applications

MOSFET在各種電力電子應用中廣泛使用。

DC-DC Converters

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

Motor Control

MOSFET用于運動控制,據此可以通過采用諸如脈搏寬度運動(PWM)等各種方法來管制DC或繼者運動的行為。

Other Applications

它們也用于倒置器、交換式電源、直升機、不間斷電源等。

Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)

隔熱加特雙極晶體管(IGBT)是一種半導體裝置,有三個終端,結合了雙極交叉晶體管(BJTs)和金屬-氧化物-半導體(MOSFETs)的特性,包括高輸入阻力和低狀態導電損失,使IGBT適合高壓和高流應用。

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、發射器和大門終端與結構連接起來。 IGBT由于存在四個交替層(PNPN),具有預定的操作特性。

Figure 17. Structure and symbol of N-channel IGBT

IGBT Operation

IGBT 以兩種主要模式運行, 即前阻塞模式和導流模式, 由收藏家、 發射者和地面的相對電壓決定。 當大門和發射者處于地面潛力時, 采集者有正電壓, J1 和 J3 偏向前進, 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。 相反, 當大門和采集者有正電壓, 以及發射者被禁時, 對大門施壓會產生反向效應, 通過連接大門附近的 n 和 n 材料來創建通道。 這導致n 區域的電子被推向 n 區域中心, 也稱為漂移區域, 從而降低連接點 J1 的潛力, 并導致洞流入中 n 區域。 這最終導致一個洞等離, 從而將裝置推向偏向前, 并允許導流向當前 。

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。另一方面,如果VGE > VTH表示MOSFET被打開,BJT就會行動,因為當前路徑被創建到BJT基地,允許流經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的轉移特性顯示了Ic和VGE之間的關系。IGBT和MOSFETs的轉移特性有相似之處。采集器的流流需要門與發射器之間的最低閾值電壓VTH。當大門發射潛能低于閾值電壓時,IGBT仍留在境外。相反,當門電壓超過閾值電壓時,轉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-發射電壓(VCE)之間的關系,見圖18。 雖然MOSFET的輸出特性與BJT相似,但IGBT的控制變量是VCE,因為它是電壓控制裝置,開關和開關時間的概念也適用于IGBT,類似于MOSFET。

IGBT Application

IGBT廣泛用于各種高功率應用。

機動車驅動器:在汽車、航空航天和消費品等各種行業中,電動機動車速度的監管和控制是電動機動車速度的有機組成部分,在機動車驅動器方面,電動源轉換器采用電動機動車,將固定的DC電壓轉換成電動電壓,頻率和振幅不一,然后使用電動電動電動控制速度和扭動速度,目前高的裝卸能力和快速轉換速度有利于高效和精確的機動車控制,從而提高性能、能效并降低維修費用。

電源供應:IGBT經常用于高壓和高流應用的轉換電源,包括焊接設備、不間斷電源和高電源DC-DC轉換器。 IGBT的低電壓下降和高開關速度有助于提高電力供應系統的效率和減少熱耗。

可再生能源系統:在太陽能和風能系統中,逆向器利用隔熱門雙極晶體管(IGBT 指數)將太陽能電池板或風力渦輪機產生的波動式DC電力轉換成AC電力,這些應用中使用IGBT 指數有助于迅速和準確地調節電壓和當前的波形,這對于維持最大電點跟蹤和高效能源轉換至關重要。

電動車輛:電動車輛的牽引倒轉器使用IGBT,因為這些反轉器負責調節向驅動車輛的發動機提供的動力;國際GBT的高電壓和當前評級使其能夠有效管理電動車輛推進系統的高功率需求;此外,這些電動車輛的快速開關速度和最低狀態電壓下降有助于提高效率和減少熱發電,這些是延長電動車輛駕駛范圍和電池壽命的關鍵因素。

電網設備:在電網設備中,特別是高壓直接電流傳輸系統和彈性AC傳輸系統(FACTS)中,IGBT系統廣泛使用,在高壓源轉換器(VSCs)中,IGBT系統被用來將電流互換電源轉換成直接電流,以便進行遠距離有效傳輸;如Static同步補償器(STATCOMs)和Stantic VAR補償器(SVCs)等FATS設備,利用IGBT系統以高精確度和高速調節電網反應力的流動,從而改進電力質量、穩定性和可靠性。

General Transistor 特征特征

在晶體管設計中,必須考慮某些特性,以確保安全和最佳操作,其中包括對dv/dt和di/dt的限制,如果超過這些限制,可能會對裝置造成損害。為了在可接受的限度內保持這些速度,保護線路是必要的。由RC電路組成的靜脈電路通常用來限制dv/dt,而作為序列導管的系列靜脈電路則用來限制d/dt。跨晶管還有一個安全操作區,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,對于確保最佳操作和防止裝置受損至關重要。

表1匯總了動力晶體管關鍵特征的比較。

Table 1. Power Transistors Comparison

Conclusion

電能的有效調控和轉換嚴重依賴電力半導體裝置,因此,電子工程師和從事電力電子設備的從業人員應全面了解二極管、胸腺、BJTs、MOSFETs和IGBT 指數等不同裝置的基本特性和應用。每種裝置都有其適合特定用途的特性。通過為特定應用仔細選擇最合適的裝置,工程師可以提高電力電子系統的性能、效率和可靠性。此外,這種知識還可以幫助系統設計師優化電力電子裝置和系統的設計。

責任編輯：彭菁