让我们继续探索在开关制度中用作开关的电力电子元件，同时使用一些SPICE仿真来观察其一般行为。开关速度、最大可容忍电压和电流，以及最重要的 Rds（on） 参数的降低，只是最新型号如何改进的几个例子。
功率场效应管
上一集中看到的双极晶体管的缺点是它们的开关时间过长，尤其是在高功率下。它们不能以这种方式保证良好的饱和度，并且开关损耗太高。采用“场效应”技术，以及称为Power-mos或场效应功率晶体管的开关元件，大大减少了这个问题。无论如何，MOSFET是用于描述此类元件的最常用术语。功率MOSFET通常是N沟道电子器件，可以承受数十安培的电流和数百伏的电压。当P-N结未与正VDS电压偏置时，只有微小的漏电流流过P-N结。器件的等效RDS电阻范围从极高的值（Rds （OFF））到极低值（Rds （ON）），可以通过改变VGS电压来控制。由于其快速的开关速度，它们比 BJT 快数百倍，其开启和关闭时间约为数十纳秒。因此，栅极、漏极和源极是端子。薄的氧化层将多晶硅栅极与器件的其余部分隔离开来。在同一器件的漏极和源极之间通常插入一个续流二极管。MOSFET 的电源原理图如
图 1 以及电压 VGD 和 VDS 变化时的相对电流响应图。IRF530 MOSFET模型是示例中使用的型号，其SPICE模型如下：IRF530 VDMOS （Rg=3 Vto=4）型号（Rd=50m，Rs=12m，Rb=60m，Kp=5，λ=.01，Cgdmax=1n，Cgdmin=.26n，Cgs=.2n，Cjo=.4n，Is=52p，ksubthres=.1，制造商：
国际整流器，Vds=100，Ron=160m，Qg=26n）
当VDS电压超过最大允许值时，电流急剧尖峰，导致设备立即故障。MOSFET 的工作方式类似于可变电阻器，由栅极施加的控制电压控制。当控制电压大于某个阈值时，Rds（ON）参数非常低;相反，Rds （OFF） 参数非常高，如果控制电压为零，则会阻止任何电流流动。与 BJT 相比，MOSFET 的另一个好处是。随着温度的升高，漏极和源极之间的电阻增加限制了传输中的电流量。这可以防止晶体管典型的“雪崩效应”，并防止器件被破坏。由于其许多优点，该组件具有非常快的开关速率，并且易于与其他设备并联。
计算 IRF530 器件的 Rds （ON） 和 Rds （OFF） 值非常容易，静态栅极电压分别为 20 V 和 0 V。这是第一个的计算方式：
您可以看到这种电阻非常低，甚至可能低于相同的连接、电缆和 PCB。以这种方式将器件的散热降至最低，尽管电流传输仍然很重要。秒的计算如下：
实际上，DS通道是一个开路，只有微不足道的少量漏电流（皮安量级）通过。
在电源电路中，IGBT（绝缘栅双极晶体管）仍然经常用作开关元件。这些器件（转换器、逆变器和电机驱动器）通常采用这种组件。IGBT是一种半导体器件，具有单个PN结和四个交变层（P-N-P-N），由金属氧化物半导体栅极（MOS）控制。它们可以承受更高的电压和电流，甚至高于 1000 V 和 1000 A，因为它们本质上是双极晶体管和功率 MOSFET 之间的混合器件。这些器件实际上利用了BJT和MOSFET技术的优势。尽管具有高击穿电压，但它们能够以牺牲开关速度为代价实现低通道电阻。
一个或多个带有VDMOS型场效应晶体管的BJT用于制造IGBT。通过这种方式，它具有非常高的输入阻抗，并且在开关和传导期间的电流流动方面表现类似于BJT。IGBT器件具有以下特性：
闸门（控制终端）;
收藏家;
发射。
正常工作包括以大于最小阈值电压的正电压VGE作用于栅极，以控制集电极和发射极之间的电流（正VCE偏置）。不幸的是，该设备的开关速度不是很快。图2显示了使用IGBT器件（特别是IKW30N65EL5器件）进行PWM切换的实际示例，该器件具有以下主要特性：
集电极-发射极电压 （Vce）： 650 V.
直流集电极电流 （Ic）： 85 A.
脉冲集电极电流：120 A.
栅极-发射极电压 （Vge）： /- 30 V.
功耗： 227 W.
工作结温 （Tvj）：介于 -40° C 和 175° C 之间。
以下曲线组合在一起，在图中创建了图形，该图形位于栅极电压域中：
升序 VGE 电压 （Vgate），介于 0 V 和 30 V 之间。正是这种电压驱动栅极并触发设备的传导。在这种情况下，导通阈值大于8 V;
集电极电流 （Ic）。如您所见，在 6 V 至 8 V 之间的 Vg 范围内，该器件像电位计一样调节电流，并且处于线性区域;
器件耗散的功率（Ptot）：该曲线代表了最坏的操作情况，因为电压和电流都处于非常高的水平，导致耗散功率呈指数级增长。在一般应用中，有必要避免使IGBT在这种情况下工作;
漏极电压 （Vd）：它是该端子上存在的电压。如果设备停用并打开，则电压等于VCC的值，如果激活并处于ON状态，则电压降至最低水平;
效率：在静态饱和条件下，器件的效率接近100%。
碳化硅场效应管
基于硅（Si）的电力电子器件长期以来一直主导着市场。由于其显着的优势，碳化硅（SiC）最近获得了很大的市场份额。由于使用了新材料，电子开关现在具有明显更好的静态和动态电气特性。以下品质定义了完美的交换机：
具有无限的开关速度;
可以在没有压降的情况下通过大电流;
可以处理高压;
其电流通过通道（通常为D-S）的电阻为零;
在两种逻辑状态之间的转换中，它不会造成能量损失。
由硅制成的设备效率不高，因为硅不允许卓越的性能。SiC MOSFET 结合了近乎完美开关的所有品质，支持高效器件的操作。它的主要优点包括提高效率和可靠性、减少热问题以及减少对环境的影响。由于SiC的导热性比硅高得多，因此由于开关损耗降低，最终系统可以在较低的温度下工作，从而实现更轻、更具成本效益的电路。换句话说，更高性能的硅系统可以用低功耗SiC系统代替。此外，还可以显著提高开关频率，从而大大减小电路尺寸。SiC电子器件能够在高达175°C的温度下工作，SiC MOSFET特性对温度和电流相对不敏感（然而，硅也是如此）。由于所有这些优点，SiC MOSFET 被用于许多应用，包括：
能源运输，预期使用高压直流;
电动汽车，驱动电动汽车发动机和电池充电电路;
铁路部门，用于驱动功率为数百万瓦的电机;
光伏部门：用于驱动负载和为蓄电池充电。
SiC MOSFET可以使用PWM信号激活和停用，如图3所示。使用的碳化硅MOSFET是UF3C065080T3S型号，具有以下基本特性：
漏源电压：650 V;栅源电压：-25° C 至 25° C;连续漏极电流：31 A;脉冲漏极电流：65 A;功耗：190 W;最高结温：175°C，封装：TO-220-3L。
它与示例中的BJT功率晶体管形成对比。当两个电子开关打开时，大约 4.8 A 的电流流过负载。大约 100 kHz 是驱动频率，这是相当高的。值得注意的是，SiC MOSFET在每个信号周期内仅激活30 ns，而BJT在大约500 ns内达到饱和，这对于此类应用来说太长了。正是由于这个原因，BJT已被从高频电源解决方案中淘汰。该仪器的低耗散得益于其高速。实际上，SiC MOSFET 解决方案的平均功耗为 1 W，而 BJT 解决方案的功耗为 12 W。
氮化镓场效应管
在高温下承受极高电压的能力是氮化镓作为具有直接带隙的半导体材料最重要的特性之一。在开关应用中，这些类型的器件保证了更高的效率和更少的开关损耗。
与传统的硅器件相比，氮化镓器件具有更好的导热性、更快的开关速率和更小的物理能力。换句话说，它们使用更少的PCB空间，并且在充电和放电循环期间具有低功率损耗。它们提高了氮化镓MOSFET最终解决方案的能效和可靠性。采用新型半导体材料制成的电子元件的成本和可靠性正在稳步赶上硅元件的成本和可靠性，预计GaN元件将从根本上改变电力电子的世界。氮化镓开关的打开和关闭速度比其他类型的电子开关快得多;平均而言，它们的导通速度比传统MOSFET快约4或5倍。GaN 器件需要一个驱动器来确保完美的开/关操作。
在传导GaN器件时，始终建议为栅极端子提供其最大可容忍电压。以这种方式，ON状态是明确和明确的。Rds （ON） 或器件处于导通状态时的内阻已显著降低，这在采用基于 GaN 的器件时具有显著优势。此外，大带隙增强了在高于硅的温度下的性能，这导致近年来GaN MOSFET的应用数量呈指数级增长。以下示例与 EPC2032 模型相关，该模型具有几个突起以促进焊接和非常相关的特性，例如：
漏极至源极电压（VDS，连续）：100 V;
漏极至源极电压（10° C 时高达 000，5 个 150 ms 脉冲）：120 V.
连续电流 （ID）： 48 A;
脉冲电流：340 A.
漏极至源极导通电阻（导通电阻）：3毫欧;
栅极到源极电压 （VGS）：从 -4 V 到 6 V;
非常高的开关频率;
工作温度 （TJ）：从 -40° C 到 150° C。
该器件的Rds（ON）由图4静态状态中的应用方案确定，是第一个观察的主题。该电阻在静态状态下极低（仅0.002853欧姆），并且几乎不允许电子开关耗散，在本例中仅为1.29 W，而负载耗散远远超过1997瓦，等效效率为99.94%。
每个电子元件总是受到温度的影响。幸运的是，热变化对GaN器件的影响很小，即使Rds有些可变，电路的效率也始终非常高。图中的上图显示了Rds参数与电压Vgs的函数关系趋势，下图显示了结温（下图）。Rds（ON）温度系数为正，这意味着它随着温度的升高而上升。
结论在本文中，我们非常广泛地研究了电力电子的一些基本部分。此外，还有其他可用的部分结合了我们已经看到的优点并消除了一些缺点。我们可以列出GTO和GCT，这两种类型的特殊晶闸管可以承受许多kV的电压和几kA的电流，作为例子。栅极端子可用于打开和关闭它们。GaN和SiC是具有大带隙的材料示例，可以降低设计成本和功率解决方案尺寸。将材料原子固定在一起的化学键的强度决定了其带隙。此外，新材料使设计人员能够从各个角度实现显著的系统性能改进。
