這些常見的功率器件，你懂多少？

hxqdou 2018-06-26

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導讀

隨著半導體功率開關器件的發(fā)展與改進，降低了對電壓、電流、功率以及頻率進行控制的成本。同時，隨著集成電路、微處理器及超大規(guī)模集成電路（VLSI）在控制電路里的使用，大大提高了其控制的精度。一些常見的功率器件，如電力二極管、金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）及它們的符號和容量描述如下。本文暫不涉及它們的物理和工作特性等細節(jié)問題，有興趣的朋友可以參考其他資料。

電力二極管

電力二極管是具有兩個端子的PN結(jié)器件。當陽極電勢與陰極電勢之差大于器件通態(tài)壓降時，即器件處于正向偏置時，器件導通并傳導電流。器件的通態(tài)壓降一般為0.7V。當器件反向偏置時，如陽極電勢小于陰極電勢的情況，器件關斷并進入阻態(tài)。在關斷模式下，流經(jīng)二極管的電流波形如圖1所示，電流先降為零并且繼續(xù)下降，隨后上升回到零值。

反向電流的存在是因為反向偏置導致器件中出現(xiàn)了反向恢復電荷。器件恢復阻斷能力的最小時間為；二極管的反向恢復電荷為，即圖示存在反向電流流動的區(qū)域。二極管自身除正向?qū)▔航低?，并不存在正向電壓阻斷能力。使導通二極管關斷的唯一方式是施加反向偏置,如在陽極和陰極兩端加負電壓。需要注意的是，與其它器件不同，二極管不受低電壓信號控制。

反向恢復時間在幾微秒到十幾微秒之間的二極管被歸為低開關頻率器件。它們主要應用在開關時間同通態(tài)時間相比可以忽略的場合，其中開關時間包括導通時間和關斷時間兩部分。因此，這類二極管通常作為整流器用以將交流電整流為直流電，這樣的二極管被稱為電力二極管。電力二極管可以承受上千安培的電流和幾千伏的電壓，并且它們的開關頻率通常限制為市電的工頻頻率。

對于需要快速開關的應用場合，首選快恢復二極管。這類二極管的反向恢復時間僅需幾納秒，可承受幾百安培電流和幾百伏電壓，但其通態(tài)壓降為2-3V?？旎謴投O管常見于電壓超過60-100V的快速開關整流器及逆變器中。而在低于60-100V的低電壓開關應用中，可以使用肖特基二極管，其通態(tài)壓降為0.3V，因此，同電力二極管和快恢復二極管相比，肖特基二極管在電能轉(zhuǎn)換上的效率更高。

MOSFET

該器件是一類只需低電壓即可控制開通、關斷的場效應晶體管，并具有30kHz到1MHz范圍的更高開關頻率。器件的容量多設計為100-200V時，可承受100A的電流；在1000V時，可承受10A的電流。這類器件在通態(tài)時的行為類似于電阻，因此可用作電流傳感器，從而在驅(qū)動系統(tǒng)中減少一個分立的電流傳感器，比如霍爾效應電流傳感器，進而節(jié)省了成本并增強了電子封裝的緊湊性。MOSFET總是伴隨著一個反并聯(lián)的體二極管，該二極管有時也被稱作寄生二極管。體二極管并非超快速開關器件并且具有更高的電壓降。由于體二極管的緣故，MOSFET并沒有反向電壓阻斷能力。圖2為N溝道MOSFET器件的符號及其在不同柵源電壓下，漏電流與漏源電壓之間的特性曲線，通常柵源電壓值不會超過20V。為了減少開關噪聲的影響，在實際情況下，一般傾向于在柵源極間施加一個-5V左右的反向偏置電壓，這樣，為保證使器件導通，噪聲電壓必須大于閥值門控電壓和負偏置電壓之和。在低成本的驅(qū)動控制中，沒有條件為反向偏置門電路增加一路負邏輯電源，但許多工業(yè)驅(qū)動器卻需要這樣的保護電路。

門控電壓信號以源極作為參考電位。該信號由微處理器或者數(shù)字信號處理器產(chǎn)生。一般來說，處理器不太可能具備直接驅(qū)動門極所需的電壓和電流容量。因此，在處理器的輸出及門極輸入之間需要加入電平轉(zhuǎn)換電路，使控制信號在器件導通瞬間具有5-15V的輸出電壓，同時具有大電流驅(qū)動能力（長達幾毫秒，根據(jù)不同應用有所不同），這也被稱為門極驅(qū)動放大電路。由于各輸入邏輯電平信號由共同的電源供電，而各門極驅(qū)動電路連接著不同的MOSFET源極，各源極電平可能處于不同狀態(tài)，所以，門極驅(qū)動放大電路同輸入邏輯電平信號之間是相互隔離的。為了產(chǎn)生隔離作用，在低電壓（<300V）時，采用單芯片光耦隔離；在小于1000V時，采用帶有高頻變壓器連接的DC-DC變換電路隔離；或者在高壓（>1000V）時；采用光纖連接進行隔離。針對不同電壓等級的各種隔離方法在實際應用中或有體現(xiàn)。

在門極驅(qū)動電路中，通常集成了過流、過壓及低壓保護電路。通過檢測MOSFET的漏源壓降可以獲知電流，而通過檢測變換器電路的直流輸入電壓可以提供電壓保護。這些都可以通過成本便宜的電阻進行檢測。典型的門極驅(qū)動電路如圖3所示。在很多門極驅(qū)動電路中，通過在門極信號放大電路前加入與電路，可將電流和電壓保護信號整合到門極輸入信號中。在這種情況下，需要更加注意保證的是，與電路和放大電路之間信號的延時必須非常小，以使得延時不會影響瞬間保護。目前已有單芯片封裝形式的門極驅(qū)動電路，這些芯片經(jīng)常在低電壓（<350V）變換器電路場合中使用。對于其它電壓等級，門極驅(qū)動電路幾乎都是針對某種電路特性的特殊應用定制開發(fā)的。

圖3 柵控驅(qū)動電路原理圖

絕緣柵雙極型晶體管

這是一類三端器件。該器件具有同MOSFET一樣理想的門控特性，并具有類似晶體管的反向電壓阻斷能力和導通特性，其符號如圖4。在5V的通態(tài)壓降下，目前這類器件的容量在電壓為3.3kV時，電流可以達到1.2kA；而在6.6kV時為0.6kA。并且在更小的電壓時獲得更大的電流及更小的導通壓降也是可行的。預測在不遠的將來，將研制出最大電流(1kA)和電壓(15kV)等級的增強型商用器件。該器件的開關頻率往往集中在20kHz。但在大功率應用場合，出于減少開關損耗及電磁干擾等方面的考慮，往往降低其開關頻率使用。