硅 MOSFET 的巨大优点及其变化

本文追溯了电力电子的历史，可追溯到硅MOSFET仍用于驱动强大的电子负载时。让我们通过描述、应用和模拟重新发现硅的世界，看看电子世界是如何在短短几年内因新的 SiC 和 GaN MOSFET 的发现和开发而发生巨大变化的。

理想的开关

开关是一种可以中断电流通过的装置，可以手动或自动操作。为了使其以最大效率工作，它的内阻必须在 ON 状态下尽可能低，在 OFF 状态下其内阻必须尽可能高。理想的开关在闭合时的内阻为 0 欧姆，而在打开时的内阻为无穷大。图 1中的接线图显示了两种不同类型的开关：第一种是真实的，第二种是理想的。它们具有以下电气特性：

真正的开关

R（开）：1.5 欧姆；

R（关闭）：10 kOhm；

理想开关

R（开）：1 fOhm（毫微微）；

R（关闭）：1000000 欧姆（太拉）。

这些设置是使用 SPICE 指令进行的：

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

和

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

图 1：真实和理想开关的电阻

该电路由 24 V 连续电源供电，并以 1 Hz 的频率以脉冲方式驱动 2 Ohm 负载。仿真旨在比较两个开关的效率值（见图 2）。第一个电路（尤其是 R1）通过以下电流：

6,8571429 A（开启状态）；

39952 mA（处于关闭状态）。

在这种情况下，由于开关不理想且电阻值异常，电路会受到传导损耗的影响，从而导致元件发热。第二个电路（尤其是 R2）通过以下电流：

12A（开启状态）；

000024 pA（处于关闭状态）。

换言之，第二开关在两种逻辑状态下具有最佳行为。

图2：流过两个开关的电流

效率超过90%被认为是好结果，但现代设备允许更高的效率。效率越高，功耗越低。在大功率变流器中，效率提高的一小部分对应于巨大的节能，具有更低的工作温度和更好的系统可靠性。输入功率和输出功率之间的差异是电源中以热量形式浪费和损失的功率。让我们使用以下通用公式计算两个电路的效率：

在两个电路上进行的测量如下：

The silicon MOSFET

硅 MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）是一种用于开关和放大信号的器件。它可以包含在单个芯片中，可用于模拟和数字电路（见图3中的器件）。MOSFET技术显着降低了计算机的尺寸和功耗。这种类型的组件通常用于电力电子领域。它由三个端子组成：源极 (S)、栅极 (G)、漏极 (D) 和体 (B)。MOSFET 控制源极和漏极端子之间的电压和电流流动。它类似于开关，可用于 P 通道和 N 通道型号。一般来说，MOSFET在三个不同的区域工作：

cut-off：MOSFET处于OFF状态，没有电流可以通过；

饱和：MOSFET处于导通状态，作为闭合开关，允许最大电流流过漏源通道；

线性：漏源沟道电流随着电压的增加而增加，器件起到放大器的作用。

栅极和漏极之间的电场决定了有多少电流流过器件。与双极晶体管相比，MOSFET 具有正温度系数。这意味着，随着温度的升高，流过它的电流会减少，并且不会发生雪崩效应。结果，这个因素起到了保护作用，许多单元可以并联在一个电路中。MOSFET 由半导体材料（通常是硅）和隔离氧的金属层组成。这些层构成三个栅极、源极和漏极端子。通常在金属层上施加电压，而氧层起到通道的作用，允许电流通过其他两层。当没有施加电流或电流不够高时，MOSFET 会关闭。

图 3：功率 MOSFET 及其引脚

一个有趣的 MOSFET 是 IRL540 模型，专为通过微控制器驱动“门”而创建。缩写中的后缀“L”实际上意味着逻辑电平栅极驱动。其最重要的特点如下：

逻辑级栅极驱动；

工作温度：175℃；

快速切换：

易于并联；

VDS：100 伏；

连续漏极电流：（Vgs = 5 V and TC = 25 °C）：28 A；

脉冲漏极电流：110 A；

最大功耗：150 W；

Vgs = 5 V 时的 RDS（开）：0.077 欧姆；

包装：TO-220。

这种 MOSFET 模型的开关速度非常快，成本低，并且从特性可以看出，具有低 Rds (on)，从而实现高效率和低工作温度。也可以通过用 3.3 V 电压为栅极供电来进行驱动。图 4中的接线图显示了一个用于大功率灯的闪光灯示例。该电路的特点是电源电压为 48 V，负载为 5 欧姆（灯），吸收电流约为 9 A，功耗约为 450 W。

图 4：带电源灯的 MOSFET 闪光灯接线图

当 MOSFET 的栅极处于 5 V 电位时，器件导通，漏极通过最大电流，但由于低 Rds (ON)，其功耗较低（在开启状态下约为 5 W） . 静态和动态测量结果如下所示：

V2 = Vg：方波 0 V – 5 V，频率为 1 Hz；

V3：48V直流电源电压；

I（灯）：9.5 A（开），12 uA（关）；

Vd：516.9 mV（开）、48 V（关）；

PD (M2)：4.9 W（开）、576 µW（关）。

使用这些参数，可以使用以下公式计算 Rds (on)：

图 5显示了闪光灯操作的动态图，以下信号从底部开始：

V (vg)：是驱动 MOSFET 栅极的信号。从图中可以看出，它有一个逻辑电平（0-5）；

I(Lamp)：是流过灯的电流；

V (vd)：是 MOSFET 漏极上的电压，与栅极电压反相；

V (Vd) * Ix (M2: D) + V (Vg) * Ix (M2: G)：是 MOSFET 消耗的功率。非常高的峰值表示开关损耗，将在下一节中进行探讨；

V (Vcc, Vd) * I (Lamp)：是负载消耗的功率，即功率灯。

图 5：闪光器操作的动态图

MOSFET 在导通状态下工作时具有非常高的效率。以下等式可用于使用上述方法计算 MOSFET 的有效效率：

开关损耗

不幸的是，电路中使用的硅 MOSFET 并不是理想的元件。开关损耗（参见图6中的相关图表）是半导体中能量损耗和浪费的主要原因之一，并且发生在逻辑状态的变化过程中，即在ON-OFF状态和OFF-ON状态的每次切换中。它们在很短的时间内不能很好地进行切换，因为它们的状态变化会稍微延迟而不是瞬间发生。最大的损耗恰好发生在切换的时刻，虽然后者非常快，但它们通常是不可接受的。设备的逻辑状态变化是最关键的时刻，尽管它的持续时间很短（在这种情况下，只有 45.5 ns）。

图 6：当设备的逻辑状态发生变化时会发生开关损耗。

未来属于 SiC 和 GaN MOSFET

随着新的发现，硅逐渐让位于 SiC 和 GaN，它们提供比前几代产品更出色的开关器件。碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 这两种新型半导体材料，具有以下独特特性，彻底改变了高功率领域：

更好的导热性；

更高的开关速度；

更小的尺寸和重量；

Rds (on) 降低；

和更多。

结论

MOSFET 有很多优点，以至于双极晶体管的使用几乎已经过时，特别是对于高功率应用。它们可以以极小的尺寸制造，支持正电压和负电压，并控制数千瓦的功率。由于涉及高功率，它们可能会过热，从而降低系统性能。然而，技术总是能够改善结果，比 SiC 和 GaN 更好的新开关元件很快就会上市。

审核编辑 黄昊宇