MOSFETs与IGBTs的基本特性和应用

MOSFET电源是一种电压控制装置,其功率小于BJT等当前控制装置,这些装置没有电压,需要连续的门源电压才能保持,类似于BJT。 然而,MOSFET的特异切换速度是其不同的,它超过了所有其他电开关的超速,并且以兆赫的顺序运行。

MOSFET有两种类型:消耗和增强。

耗竭型MOSFET功能为正常电开关,而增强型MOSFET功能为正常断电开关。

MOSFET Structure

MOSFET是电子装置,拥有四个终端,即源(S)、门(G)、排水(D)和身体终端,身体终端经常与源终端连接,从而减少可用终端的总数。

图11显示了N-气道增强型MOSFET的配置和符号,该气道增强型MOSFET是一个由p型材料和大量排水的N排水区和源区域组成的基体。

Figure 13. N-channel enhancement type MOSFET

图12描绘了P-通道增强型MOSFET的配置和标志,MOSFET由正充电孔运动推动的N型基质和大量倾斜的排水区和源区域组成,这是一个P-通道MOSFET。

Figure 14. P-channel enhancement type MOSFET

MOSFET Operation and 特征特征

在N-气道增强型MOSFET中,正门到源电压的应用导致电子从底部的p-物质中吸引,导致电子在氧化层下的表面积累。在达到临界电压(VT)时,大量电子积累形成一个虚拟电道,从而使电流从排水管流向源。P-气道的功能类似,电流的流量归因于正电孔,电流和电压的极性被逆转。

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

图13展示了N-通道增强型MOSFET的输出特性,显示了三个不同的操作区域:截断、线性和饱和(活性)区域。必须指出的是,饱和区的概念不同于BJTs。当VGS < Vt;VT时,设备关闭并在截断区运行。相反,VGS > Vt;VT,该设备可以以线性模式或饱和模式运行。在线性(或奥密)模式中,VDS < VGS-VT,而饱和模式中,VDS > VGS-VT。在线性模式中,排流流(ID)与排出源电压(VDS)成比例差异。电源MOSFET通常在线性区域用于切换应用,因为它们的排水量低和高排水电流。相反,排水流在饱和模式中几乎保持不变,不管VDS的任何变化。

Figure 16. MOSFET switching characteristics

在电子电源中,开关延迟时间(td(on))的定义是,门源电压超过VGS10%的点与排气源电压降至VDS90%的点之间的时间间隔。升幅时间(tr)是指排水和源之间的电压从90%下降到VDS10%所需的时间间隔。开关时间(ton)是指总和td(on)和t.相应而言,开关延迟时间(td(off))是开关电压降至VGS90%以下的点与排气源电压降至VDS10%的点之间的间隔。跌幅时间(tf)是指排水源电压从10%升至90%VDS的期间。开关时间间隔是Td(d)和tf的平衡时间。

MOSFET Applications

MOSFET在各种电力电子应用中广泛使用。

DC-DC Converters

DC-DC转换器可以使用MOSFETs来操作,MOSFETs能够控制各种转换器操作方式的电流,这在压压转换器中特别适用。

Motor Control

MOSFET用于运动控制,据此可以通过采用诸如脉搏宽度运动(PWM)等各种方法来管制DC或继者运动的行为。

Other Applications

它们也用于倒置器、交换式电源、直升机、不间断电源等。

Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)

隔热加特双极晶体管(IGBT)是一种半导体装置,有三个终端,结合了双极交叉晶体管(BJTs)和金属-氧化物-半导体(MOSFETs)的特性,包括高输入阻力和低状态导电损失,使IGBT适合高压和高流应用。

IGBT Structure

图15中的图表显示了N-通道隔热门双极晶体管(IGBT)的配置。金属连接将采集器、发射器和大门终端与结构连接起来。 IGBT由于存在四个交替层(PNPN),具有预定的操作特性。

Figure 17. Structure and symbol of N-channel IGBT

IGBT Operation

IGBT 以两种主要模式运行, 即前阻塞模式和导流模式, 由收藏家、 发射者和地面的相对电压决定。 当大门和发射者处于地面潜力时, 采集者有正电压, J1 和 J3 偏向前进, 而 J2 则反向偏向, 从而将IGBT 置于前阻塞模式中, 从而阻止电流流动。 相反, 当大门和采集者有正电压, 以及发射者被禁时, 对大门施压会产生反向效应, 通过连接大门附近的 n 和 n 材料来创建通道。 这导致n 区域的电子被推向 n 区域中心, 也称为漂移区域, 从而降低连接点 J1 的潜力, 并导致洞流入中 n 区域。 这最终导致一个洞等离, 从而将装置推向偏向前, 并允许导流向当前 。

Figure 18. Simplified equivalent circuit of N-channel IGBT

如图16所示,可以通过简化的等效电路理解IGBT的操作。

可以看到,如果MOSFET不开火(即如果VGE < VTH),BJT不行动。另一方面,如果VGE > VTH表示MOSFET被打开,BJT就会行动,因为当前路径被创建到BJT基地,允许流经BJT的基底。

IGBT 特征特征

IGBT的基本属性是其传输和输出特性。

Figure 19. IGBT transfer characteristics

如图17所示,IGBT的转移特性显示了Ic和VGE之间的关系。IGBT和MOSFETs的转移特性有相似之处。采集器的流流需要门与发射器之间的最低阈值电压VTH。当大门发射潜能低于阈值电压时,IGBT仍留在境外。相反,当门电压超过阈值电压时,转移曲线显示排水流大部分的线性。

Figure 20. IGBT output characteristics

IGBT的输出特性,特别是收集器电流(Ic)和收集器-发射电压(VCE)之间的关系,见图18。 虽然MOSFET的输出特性与BJT相似,但IGBT的控制变量是VCE,因为它是电压控制装置,开关和开关时间的概念也适用于IGBT,类似于MOSFET。

IGBT Application

IGBT广泛用于各种高功率应用。

机动车驱动器:在汽车、航空航天和消费品等各种行业中,电动机动车速度的监管和控制是电动机动车速度的有机组成部分,在机动车驱动器方面,电动源转换器采用电动机动车,将固定的DC电压转换成电动电压,频率和振幅不一,然后使用电动电动电动控制速度和扭动速度,目前高的装卸能力和快速转换速度有利于高效和精确的机动车控制,从而提高性能、能效并降低维修费用。

电源供应:IGBT经常用于高压和高流应用的转换电源,包括焊接设备、不间断电源和高电源DC-DC转换器。 IGBT的低电压下降和高开关速度有助于提高电力供应系统的效率和减少热耗。

可再生能源系统:在太阳能和风能系统中,逆向器利用隔热门双极晶体管(IGBT 指数)将太阳能电池板或风力涡轮机产生的波动式DC电力转换成AC电力,这些应用中使用IGBT 指数有助于迅速和准确地调节电压和当前的波形,这对于维持最大电点跟踪和高效能源转换至关重要。

电动车辆:电动车辆的牵引倒转器使用IGBT,因为这些反转器负责调节向驱动车辆的发动机提供的动力;国际GBT的高电压和当前评级使其能够有效管理电动车辆推进系统的高功率需求;此外,这些电动车辆的快速开关速度和最低状态电压下降有助于提高效率和减少热发电,这些是延长电动车辆驾驶范围和电池寿命的关键因素。

电网设备:在电网设备中,特别是高压直接电流传输系统和弹性AC传输系统(FACTS)中,IGBT系统广泛使用,在高压源转换器(VSCs)中,IGBT系统被用来将电流互换电源转换成直接电流,以便进行远距离有效传输;如Static同步补偿器(STATCOMs)和Stantic VAR补偿器(SVCs)等FATS设备,利用IGBT系统以高精确度和高速调节电网反应力的流动,从而改进电力质量、稳定性和可靠性。

General Transistor 特征特征

在晶体管设计中,必须考虑某些特性,以确保安全和最佳操作,其中包括对dv/dt和di/dt的限制,如果超过这些限制,可能会对装置造成损害。为了在可接受的限度内保持这些速度,保护线路是必要的。由RC电路组成的静脉电路通常用来限制dv/dt,而作为序列导管的系列静脉电路则用来限制d/dt。跨晶管还有一个安全操作区,它界定了安全操作的最大电流和电压限制。为了提高晶体管的电压处理能力,它们可以连成一系列连接,同时连接它们可以增加其电流载能力。然而,使用具有类似特性的晶体管,对于确保最佳操作和防止装置受损至关重要。

表1汇总了动力晶体管关键特征的比较。

Table 1. Power Transistors Comparison

 

特征特征	电力 BJTs	MOSFETs 电力	IGBT 指数
压压定量	高 <1000 V	高 <1000 V	甚高 > 1 000 V
当前评级	高低于500A	低 <200A	甚高 > 500 A
基/基控变量	目前	电压	电压
输入障碍	Low	高	高
输出权宜	Low	中 中	Low
国营电压下降	Low	高	中 中
切换频率	中间中间	甚高	高
成本成本成本成本成本	Low	中 中	高

 

Conclusion

电能的有效调控和转换严重依赖电力半导体装置,因此,电子工程师和从事电力电子设备的从业人员应全面了解二极管、胸腺、BJTs、MOSFETs和IGBT 指数等不同装置的基本特性和应用。每种装置都有其适合特定用途的特性。通过为特定应用仔细选择最合适的装置,工程师可以提高电力电子系统的性能、效率和可靠性。此外,这种知识还可以帮助系统设计师优化电力电子装置和系统的设计。

        责任编辑：彭菁