本文追溯了電力電子的歷史，可追溯到硅MOSFET仍用于驅動強大的電子負載時。讓我們通過描述、應用和模擬重新發(fā)現(xiàn)硅的世界，看看電子世界是如何在短短幾年內(nèi)因新的 SiC 和 GaN MOSFET 的發(fā)現(xiàn)和開發(fā)而發(fā)生巨大變化的。

理想的開關

開關是一種可以中斷電流通過的裝置，可以手動或自動操作。為了使其以最大效率工作，它的內(nèi)阻必須在 ON 狀態(tài)下盡可能低，在 OFF 狀態(tài)下其內(nèi)阻必須盡可能高。理想的開關在閉合時的內(nèi)阻為 0 歐姆，而在打開時的內(nèi)阻為無窮大。圖 1中的接線圖顯示了兩種不同類型的開關：第一種是真實的，第二種是理想的。它們具有以下電氣特性：

真正的開關

R（開）：1.5 歐姆；

R（關閉）：10 kOhm；

理想開關

R（開）：1 fOhm（毫微微）；

R（關閉）：1000000 歐姆（太拉）。

這些設置是使用 SPICE 指令進行的：

.model MySwitch1 SW(Ron=1.5 Roff=10k Vt=5)

和

.model MySwitch2 SW(Ron=1f Roff=1000000T Vt=5)

圖 1：真實和理想開關的電阻

該電路由 24 V 連續(xù)電源供電，并以 1 Hz 的頻率以脈沖方式驅動 2 Ohm 負載。仿真旨在比較兩個開關的效率值（見圖 2）。第一個電路（尤其是 R1）通過以下電流：

6,8571429 A（開啟狀態(tài)）；

39952 mA（處于關閉狀態(tài)）。

在這種情況下，由于開關不理想且電阻值異常，電路會受到傳導損耗的影響，從而導致元件發(fā)熱。第二個電路（尤其是 R2）通過以下電流：

12A（開啟狀態(tài)）；

000024 pA（處于關閉狀態(tài)）。

換言之，第二開關在兩種邏輯狀態(tài)下具有最佳行為。

圖2：流過兩個開關的電流

效率超過90%被認為是好結果，但現(xiàn)代設備允許更高的效率。效率越高，功耗越低。在大功率變流器中，效率提高的一小部分對應于巨大的節(jié)能，具有更低的工作溫度和更好的系統(tǒng)可靠性。輸入功率和輸出功率之間的差異是電源中以熱量形式浪費和損失的功率。讓我們使用以下通用公式計算兩個電路的效率：

在兩個電路上進行的測量如下：

The silicon MOSFET

硅 MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）是一種用于開關和放大信號的器件。它可以包含在單個芯片中，可用于模擬和數(shù)字電路（見圖3中的器件）。MOSFET技術顯著降低了計算機的尺寸和功耗。這種類型的組件通常用于電力電子領域。它由三個端子組成：源極 (S)、柵極 (G)、漏極 (D) 和體 (B)。MOSFET 控制源極和漏極端子之間的電壓和電流流動。它類似于開關，可用于 P 通道和 N 通道型號。一般來說，MOSFET在三個不同的區(qū)域工作：

cut-off：MOSFET處于OFF狀態(tài)，沒有電流可以通過；

飽和：MOSFET處于導通狀態(tài)，作為閉合開關，允許最大電流流過漏源通道；

線性：漏源溝道電流隨著電壓的增加而增加，器件起到放大器的作用。

柵極和漏極之間的電場決定了有多少電流流過器件。與雙極晶體管相比，MOSFET 具有正溫度系數(shù)。這意味著，隨著溫度的升高，流過它的電流會減少，并且不會發(fā)生雪崩效應。結果，這個因素起到了保護作用，許多單元可以并聯(lián)在一個電路中。MOSFET 由半導體材料（通常是硅）和隔離氧的金屬層組成。這些層構成三個柵極、源極和漏極端子。通常在金屬層上施加電壓，而氧層起到通道的作用，允許電流通過其他兩層。當沒有施加電流或電流不夠高時，MOSFET 會關閉。

圖 3：功率 MOSFET 及其引腳

一個有趣的 MOSFET 是 IRL540 模型，專為通過微控制器驅動“門”而創(chuàng)建?？s寫中的后綴“L”實際上意味著邏輯電平柵極驅動。其最重要的特點如下：

邏輯級柵極驅動；

工作溫度：175℃；

快速切換：

易于并聯(lián)；

VDS：100 伏；

連續(xù)漏極電流：（Vgs = 5 V and TC = 25 °C）：28 A；

脈沖漏極電流：110 A；

最大功耗：150 W；

Vgs = 5 V 時的 RDS（開）：0.077 歐姆；

包裝：TO-220。

這種 MOSFET 模型的開關速度非?？?，成本低，并且從特性可以看出，具有低 Rds (on)，從而實現(xiàn)高效率和低工作溫度。也可以通過用 3.3 V 電壓為柵極供電來進行驅動。圖 4中的接線圖顯示了一個用于大功率燈的閃光燈示例。該電路的特點是電源電壓為 48 V，負載為 5 歐姆（燈），吸收電流約為 9 A，功耗約為 450 W。

圖 4：帶電源燈的 MOSFET 閃光燈接線圖

當 MOSFET 的柵極處于 5 V 電位時，器件導通，漏極通過最大電流，但由于低 Rds (ON)，其功耗較低（在開啟狀態(tài)下約為 5 W） . 靜態(tài)和動態(tài)測量結果如下所示：

V2 = Vg：方波 0 V – 5 V，頻率為 1 Hz；

V3：48V直流電源電壓；

I（燈）：9.5 A（開），12 uA（關）；

Vd：516.9 mV（開）、48 V（關）；

PD (M2)：4.9 W（開）、576 μW（關）。

使用這些參數(shù)，可以使用以下公式計算 Rds (on)：

圖 5顯示了閃光燈操作的動態(tài)圖，以下信號從底部開始：

V (vg)：是驅動 MOSFET 柵極的信號。從圖中可以看出，它有一個邏輯電平（0-5）；

I(Lamp)：是流過燈的電流；

V (vd)：是 MOSFET 漏極上的電壓，與柵極電壓反相；

V (Vd) * Ix (M2: D) + V (Vg) * Ix (M2: G)：是 MOSFET 消耗的功率。非常高的峰值表示開關損耗，將在下一節(jié)中進行探討；

V (Vcc, Vd) * I (Lamp)：是負載消耗的功率，即功率燈。

圖 5：閃光器操作的動態(tài)圖

MOSFET 在導通狀態(tài)下工作時具有非常高的效率。以下等式可用于使用上述方法計算 MOSFET 的有效效率：

開關損耗

不幸的是，電路中使用的硅 MOSFET 并不是理想的元件。開關損耗（參見圖6中的相關圖表）是半導體中能量損耗和浪費的主要原因之一，并且發(fā)生在邏輯狀態(tài)的變化過程中，即在ON-OFF狀態(tài)和OFF-ON狀態(tài)的每次切換中。它們在很短的時間內(nèi)不能很好地進行切換，因為它們的狀態(tài)變化會稍微延遲而不是瞬間發(fā)生。最大的損耗恰好發(fā)生在切換的時刻，雖然后者非常快，但它們通常是不可接受的。設備的邏輯狀態(tài)變化是最關鍵的時刻，盡管它的持續(xù)時間很短（在這種情況下，只有 45.5 ns）。

圖 6：當設備的邏輯狀態(tài)發(fā)生變化時會發(fā)生開關損耗。

未來屬于 SiC 和 GaN MOSFET

隨著新的發(fā)現(xiàn)，硅逐漸讓位于 SiC 和 GaN，它們提供比前幾代產(chǎn)品更出色的開關器件。碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 這兩種新型半導體材料，具有以下獨特特性，徹底改變了高功率領域：

更好的導熱性；

更高的開關速度；

更小的尺寸和重量；

Rds (on) 降低；

和更多。

結論

MOSFET 有很多優(yōu)點，以至于雙極晶體管的使用幾乎已經(jīng)過時，特別是對于高功率應用。它們可以以極小的尺寸制造，支持正電壓和負電壓，并控制數(shù)千瓦的功率。由于涉及高功率，它們可能會過熱，從而降低系統(tǒng)性能。然而，技術總是能夠改善結果，比 SiC 和 GaN 更好的新開關元件很快就會上市。

審核編輯 黃昊宇