本文追溯了電力電子的歷史，可追溯到硅MOSFET仍用于驅(qū)動(dòng)強(qiáng)大的電子負(fù)載時(shí)。讓我們通過描述、應(yīng)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(guān)

開關(guān)是一種可以中斷電流通過的裝置，可以手動(dòng)或自動(dòng)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(guān)在閉合時(shí)的內(nèi)阻為 0 歐姆，而在打開時(shí)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(guān)：第一種是真實(shí)的，第二種是理想的。它們具有以下電氣特性：

真正的開關(guān)

R（開）：1.5 歐姆；

R（關(guān)閉）：10 kOhm；

理想開關(guān)

R（開）：1 fOhm（毫微微）；

R（關(guān)閉）：1000000 歐姆（太拉）。

這些設(shè)置是使用 SPICE 指令進(jìn)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(shí)和理想開關(guān)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(qū)動(dòng) 2 Ohm 負(fù)載。仿真旨在比較兩個(gè)開關(guān)的效率值（見圖 2）。第一個(gè)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(guān)閉狀態(tài)）。

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

12A（開啟狀態(tài)）；

000024 pA（處于關(guān)閉狀態(tài)）。

換言之，第二開關(guān)在兩種邏輯狀態(tài)下具有最佳行為。

圖2：流過兩個(gè)開關(guān)的電流

效率超過90%被認(rèn)為是好結(jié)果，但現(xiàn)代設(shè)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(yīng)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(fèi)和損失的功率。讓我們使用以下通用公式計(jì)算兩個(gè)電路的效率：

在兩個(gè)電路上進(jìn)行的測量如下：

The silicon MOSFET

硅 MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）是一種用于開關(guān)和放大信號的器件。它可以包含在單個(gè)芯片中，可用于模擬和數(shù)字電路（見圖3中的器件）。MOSFET技術(shù)顯著降低了計(jì)算機(jī)的尺寸和功耗。這種類型的組件通常用于電力電子領(lǐng)域。它由三個(gè)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(dòng)。它類似于開關(guān)，可用于 P 通道和 N 通道型號。一般來說，MOSFET在三個(gè)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(dǎo)通狀態(tài)，作為閉合開關(guān)，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(yīng)。結(jié)果，這個(gè)因素起到了保護(hù)作用，許多單元可以并聯(lián)在一個(gè)電路中。MOSFET 由半導(dǎo)體材料（通常是硅）和隔離氧的金屬層組成。這些層構(gòu)成三個(gè)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(dāng)沒有施加電流或電流不夠高時(shí)，MOSFET 會關(guān)閉。

圖 3：功率 MOSFET 及其引腳

一個(gè)有趣的 MOSFET 是 IRL540 模型，專為通過微控制器驅(qū)動(dòng)“門”而創(chuàng)建。縮寫中的后綴“L”實(shí)際上意味著邏輯電平柵極驅(qū)動(dòng)。其最重要的特點(diǎn)如下：

邏輯級柵極驅(qū)動(dòng)；

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(shí)的 RDS（開）：0.077 歐姆；

包裝：TO-220。

這種 MOSFET 模型的開關(guān)速度非常快，成本低，并且從特性可以看出，具有低 Rds (on)，從而實(shí)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(jìn)行驅(qū)動(dòng)。圖 4中的接線圖顯示了一個(gè)用于大功率燈的閃光燈示例。該電路的特點(diǎn)是電源電壓為 48 V，負(fù)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(dāng) MOSFET 的柵極處于 5 V 電位時(shí)，器件導(dǎo)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(dòng)態(tài)測量結(jié)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(guān)）；

Vd：516.9 mV（開）、48 V（關(guān)）；

PD (M2)：4.9 W（開）、576 μW（關(guān)）。

使用這些參數(shù)，可以使用以下公式計(jì)算 Rds (on)：

圖 5顯示了閃光燈操作的動(dòng)態(tài)圖，以下信號從底部開始：

V (vg)：是驅(qū)動(dòng) MOSFET 柵極的信號。從圖中可以看出，它有一個(gè)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(guān)損耗，將在下一節(jié)中進(jìn)行探討；

V (Vcc, Vd) * I (Lamp)：是負(fù)載消耗的功率，即功率燈。

圖 5：閃光器操作的動(dòng)態(tài)圖

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

開關(guān)損耗

不幸的是，電路中使用的硅 MOSFET 并不是理想的元件。開關(guān)損耗（參見圖6中的相關(guān)圖表）是半導(dǎo)體中能量損耗和浪費(fèi)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(shí)間內(nèi)不能很好地進(jìn)行切換，因?yàn)樗鼈兊臓顟B(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(shí)刻，雖然后者非常快，但它們通常是不可接受的。設(shè)備的邏輯狀態(tài)變化是最關(guān)鍵的時(shí)刻，盡管它的持續(xù)時(shí)間很短（在這種情況下，只有 45.5 ns）。

圖 6：當(dāng)設(shè)備的邏輯狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)會發(fā)生開關(guān)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(guān)器件。碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 這兩種新型半導(dǎo)體材料，具有以下獨(dú)特特性，徹底改變了高功率領(lǐng)域：

更好的導(dǎo)熱性；

更高的開關(guān)速度；

更小的尺寸和重量；

Rds (on) 降低；

和更多。

結(jié)論

MOSFET 有很多優(yōu)點(diǎn)，以至于雙極晶體管的使用幾乎已經(jīng)過時(shí)，特別是對于高功率應(yīng)用。它們可以以極小的尺寸制造，支持正電壓和負(fù)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(shù)總是能夠改善結(jié)果，比 SiC 和 GaN 更好的新開關(guān)元件很快就會上市。

審核編輯 黃昊宇