通信工程師設(shè)備環(huán)境高頻開關(guān)元器件

3.2.2 高頻開關(guān)元器件

在頻開關(guān)型整流器中，功率變換電路是其主要組成部分。高頻開關(guān)整流器的工作頻率實(shí)際上就是功率變換電路的工作頻率，而它取決于開關(guān)管的工作頻率。所以功率變換電路中高頻開關(guān)管性能在整流器中起葙至關(guān)重要的作用。目前高頻開關(guān)整流器采用的高頻功率開關(guān)器件通常有功率MOSFET、IGBT管以及兩者混合管、功率集成器件等等？下面介紹常見的功率MOSFET與IGBT兩種開關(guān)管。

1.功率場(chǎng)控晶體管（功率MOSFET）

金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor. MOSFET）即以金屬層（M）的柵極隔著氧化層（O）利用電場(chǎng)的效應(yīng)來(lái)控制半導(dǎo)體（S）的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

MOSFET按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道，按柵極電壓幅值可分為耗盡型和增強(qiáng)型。功率MOSFET是一種單極艱電壓控制器件，具有驅(qū)動(dòng)功申。速度高、無(wú)二次擊穿和安全區(qū)寬等優(yōu)點(diǎn)。功率MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)（VerticalMOSFET,VMOSFET），按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，又分為利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的 （Vertical Double-diffiased MOSFET）功率MOSFET符號(hào)如圖3-9所示，其中G表示柵極，D表示漏極，S表示源極。

功率MOSFET的特性如下。

（1）關(guān)于電流與電壓。功率MOSFET電流以最人漏極電流為指標(biāo)（IDmax），它表示功率MOSFET工作在飽和狀態(tài)的漏極電流量或某VGS輸出特性曲線平坦區(qū)域的電流值，決定IDmax的主要因素為單位管芯面積的溝道寬度，溝道寬度大則IDmax值大。功率MOSFET電壓以漏極擊穿電壓（BVto）為指標(biāo)，它表示漏區(qū)溝道體區(qū)PN結(jié)所允許的較高反偏電壓，影響B(tài)Vds的因素是漏極PN結(jié)的雪崩擊穿機(jī)構(gòu)和表面電場(chǎng)效應(yīng)。

（2）關(guān)于工作頻率。功率開關(guān)器件最理想的控制電壓波形是前后沿陡直的矩形波，而實(shí)際上在開通時(shí)，從截止?fàn)顟B(tài)到線性工作區(qū)再過(guò)渡到飽和K需要一段時(shí)間，反之亦站然所需延時(shí)愈小，開關(guān)時(shí)間愈短，開關(guān)速度愈快。由于功率MOSFET為少子導(dǎo)電器件，在開關(guān)過(guò)程中栽流子的存儲(chǔ)時(shí)間不需要考慮，因而開關(guān)時(shí)間很短，故功率MOSFET的工作頻申通常為30-100kHz由于功率MOSFET開關(guān)速度受輸入電容及輸入內(nèi)阻影響較大，從而限制工作頻率的提高。

功率MOSFET的特點(diǎn)如下。

（1）驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，功率增益髙，開關(guān)速度快，不需要加反向偏S.

（2）多個(gè)管子可并聯(lián)工作，導(dǎo)通電阻具有正溫度系數(shù)，具有自動(dòng)均流能力。例如，并聯(lián)組合管中某管芯電流增加時(shí)，其溫度上升使其電阻增大，從而限制了電流的增長(zhǎng)。

（3）開關(guān)速度受溫度影響非常小，在高溫運(yùn)行時(shí)，不存在溫度失控現(xiàn)象。其允許工作溫度可達(dá)200℃

（4）功率MOSFET無(wú)二次擊穿問(wèn)題。普通功率品體管在高壓大電流條件下進(jìn)行切換時(shí)，易發(fā)生二次擊穿。二次擊穿指器件在一次擊穿后電流進(jìn)一步增加，并高速向低阻區(qū)移動(dòng)。

2.絕緣門極晶體管（IGBT或IGT）

絕緣柵門極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）是由功率晶體管和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式電力電子器件N溝道的IGBT管符號(hào)如圖3-10所示。

IGBT的驅(qū)動(dòng)由柵極電壓來(lái)控制開通與關(guān)斷。當(dāng)柵極的正向電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，且為PNP晶體管提供基極電流，使IGBT導(dǎo)通。此時(shí)基區(qū)擴(kuò)展電阻減小，具有低通態(tài)壓降。當(dāng)柵極以負(fù)壓驅(qū)動(dòng)時(shí)。MOSFET內(nèi)溝道消失，PNP晶體管基極電流被切斷，IGBT即被關(guān)斷。

IGBT管的主要特點(diǎn)如下。

（1）IGBT管為混合器件，驅(qū)動(dòng)功率容量小，也是一種電壓型器件。

（2）導(dǎo)通過(guò)程壓降小，元件電流密度大，其電流等級(jí)為10-400A,較高研究水平為1000A,電壓等級(jí)為500-1400V。

（3）不足之處是IGBT關(guān)斷時(shí)會(huì)出現(xiàn)約Ins的電流拖尾現(xiàn)象，所以關(guān)斷時(shí)間長(zhǎng)，使工作頻率受到限制?？朔衔铂F(xiàn)象的措施有研制高速丨GBT管、應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)等。

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