高頻開關(guān)電源整流器中使用的功率管主要為金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)和絕緣柵雙極型晶體管(IGBT),其中MOSFET因其高速、大功率、高耐壓特性成為高頻應(yīng)用的核心器件。以下是具體分析:
一、MOSFET:高頻開關(guān)整流器的核心功率管
結(jié)構(gòu)與特性
MOSFET是電壓控制型器件,具有三個(gè)極:漏極(D)、柵極(G)、源極(S)。其工作原理基于多數(shù)載流子導(dǎo)電,無(wú)少數(shù)載流子存儲(chǔ)效應(yīng),因此開關(guān)速度極快(納秒級(jí)),結(jié)電容小,幾乎無(wú)儲(chǔ)存時(shí)間。
高頻化優(yōu)勢(shì)
高開關(guān)頻率:支持100kHz至700kHz甚至MHz級(jí)工作頻率,顯著減小變壓器和電感體積,實(shí)現(xiàn)電源小型化。
低導(dǎo)通損耗:導(dǎo)通電阻(Rds(on))低,大電流下壓降小,效率可達(dá)90%以上。
高輸入阻抗:柵極控制電流極小,驅(qū)動(dòng)功率低,適合并聯(lián)擴(kuò)展。
應(yīng)用場(chǎng)景
低壓大電流輸出:如DC-DC變換器中替代肖特基二極管(SBD),作為同步整流管(SR),降低整流損耗。
高頻逆變電路:與IGBT組合使用,MOSFET負(fù)責(zé)高頻部分,IGBT負(fù)責(zé)大電流部分。
二、IGBT:大功率場(chǎng)景的補(bǔ)充選擇
結(jié)構(gòu)與特性
IGBT是復(fù)合器件,結(jié)合了MOSFET的電壓控制特性和雙極型晶體管的大電流承載能力。其導(dǎo)通壓降低,但開關(guān)速度較MOSFET慢(微秒級(jí)),適合中低頻(20kHz以下)大功率場(chǎng)景。
應(yīng)用場(chǎng)景
高電壓大電流輸出:如工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)汽車充電樁,IGBT可承受更高電壓和電流。
與MOSFET協(xié)同工作:在高頻開關(guān)電源中,IGBT常用于主功率變換環(huán)節(jié),MOSFET用于輔助電路或高頻部分。
三、功率管選型的關(guān)鍵參數(shù)
電壓與電流額定值
需根據(jù)輸入電壓、輸出功率選擇耐壓值(如600V、1200V)和額定電流(如10A、50A)。
示例:輸入220V AC時(shí),MOSFET耐壓需≥600V;輸出1kW時(shí),電流需≥5A。
開關(guān)頻率與損耗
高頻應(yīng)用需選擇開關(guān)損耗低的器件,如超結(jié)MOSFET(Super Junction MOSFET)。
示例:在500kHz開關(guān)頻率下,需選用導(dǎo)通電阻≤10mΩ的MOSFET。
熱管理與散熱
高頻工作導(dǎo)致發(fā)熱,需通過散熱片或液冷設(shè)計(jì)控制結(jié)溫(通常≤150℃)。
示例:在密閉環(huán)境中,需選擇低熱阻封裝(如TO-247)的MOSFET。
四、技術(shù)演進(jìn)與未來趨勢(shì)
第三代半導(dǎo)體材料
氮化鎵(GaN):支持MHz級(jí)開關(guān)頻率,導(dǎo)通電阻更低,適用于超薄充電器、5G基站電源。
碳化硅(SiC):耐高溫、耐高壓,適用于電動(dòng)汽車、光伏逆變器。
集成化與模塊化
功率管與驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路集成,形成智能功率模塊(IPM),簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并提升可靠性。
示例:英飛凌CoolMOS?系列MOSFET,集成過溫保護(hù)、短路保護(hù)功能。
高頻開關(guān)電源整流器中,MOSFET是高頻應(yīng)用的主流選擇,IGBT則用于大功率場(chǎng)景。選型時(shí)需綜合考慮電壓、電流、頻率、損耗及散熱需求。隨著第三代半導(dǎo)體材料的普及,功率管性能將進(jìn)一步提升,推動(dòng)高頻開關(guān)電源向高效、更緊湊的方向發(fā)展。 http://www.48v-power.com/