20170605-开关电源中的功率开关基础知识(四)

开关电源中的功率开关基础知识(四)

普高（杭州）科技开发有限公司张兴柱博士

电子开关的其它分类方式：

1：按制作材料分类

组成电子开关的材料已经经历了许多代，早期是硅（Si）、锗（Ge）、和镓（Ga），然后是砷化镓（GaAs），现在是碳化硅（SiC），以后可能会是氮化镓（GaN），再以后可能将是钻石（Diamond）。随着组成电子开关的材料的不断升级，其各种特性也在大幅度地提高，如目前的SiC器件，它的开关速度、通态压降等均比之前的其它器件要好许多

2：按是否可控分类

电子开关按控制方式可以分成三类：一类是完全不控型器件，如二极管，它没有控制极，二极管的通断由加在其两端的电压控制，当二极管P-N结加上正向电压时，二极管就导通，当二极管P-N结加上反向电压时，二极管就截止。

第二类是半控型器件，如普通可控硅，它有一个控制极（门极），在普通可控硅的门栅之间加上一个合适的控制电压，如此时的阳极和栅极之间为正电压，那么可控硅就导通，导通后其控制电压就会失去控制作用，也即在导通期内去掉控制电压信号，可控硅仍然导通，只有当可控硅的电流为零，且电压反向后，其才能被关断。另外当阳极和栅极之间为负电压时，普通可控硅是无法控制开通的，也即此时即使在普通可控硅的门栅之间加上一个合适的控制电压，它也不会导通。

第三类是全控型器件，根据控制信号是电压还是电流，又将其分成两个子类。第一个子类是电压型控制器件，如MOSFET、IGBT等；第二个子类是电流型控制器件，如GTR和GTO。例如N沟道MOSFET这种电压型全控器件，只要在它的门源之间加上一个合适的正电压信号后，它就会导通，在门源之间去掉这个控制电压后，它就会关断。又例如NPN GTR这种电流型全控器件，只要在的它的基极通上一个合适的基极电流后，它就会导通，在它的基极将这个基流抽走并给一个小的反向基流后，它就会关断。这些全控型器件作为电子开关时，可以非常方便地控制其通断，在开关处理同样的功率时，GTR所需的控制功率最大，GTO 所需的控制功率其次，MOSFET和IGBT所需的控制功率最小。

3：按工作频率分类

不同的电子开关，其开关工作方式下的最高频率是不同的。按可工作的最高频率也可以将电子开关分成三类：第一类是低频功率器件，如可控硅、普通二极管等，它们的工作频率一般在1KHz以内。第二类是中频功率器件，如GTR和IGBT等，它们的工作频率一般在（20~30）KHz以内。第三类是高频功率器件，如MOSFET、快恢复二极管、萧特基二极管等，它们的工作频率一般在100KHz~1MHz之间。

4：按额定可处理的最大功率容量分类

不同的电子开关，其能处理的最大功率容量，即导通时允许流过的最大电流和截止时允许承受的最大电压，是不同的。从这个角度，也可以将功率电子器件分成三类：第一类是小功率电子器件，如MOSFET，萧特基二极管等。第二类是中功率电子器件，如IGBT、GTR等。第三类是大功率电子器件，如GTO、普通二极管等。

5：按导电粒子的性质分类

不同的电子开关，按其的导电机理来分可以分成两种，一种是多子（电子）导电，一种是少子（空穴）导电。多子导电的功率器件如MOSFET 和萧特基二极管等，少子导电的功率器件如GTR 、IGBT 、GTO 和快恢复二极管等。因为导电机理的不同，会导致这些器件组成的电子开关的许多性能的差别。如快恢复二极管和萧特基二极管，虽同为二极管，但一个是少子导电，一个是多子导电，它们对外所显示的就是一个具有反向恢复问题，而另一个则没有。另外如GTR 和MOSFET ，也是因为导电机理的不同，一个具有二次击穿问题而另一个则没有。

电子开关的分类其实还有许多，前文及本文只是将最基本的分类方式介绍给读者。如果读者需要进一步了解电子开关的机理，可以去读更深的教材，如《半导体原理》，《半导体器件》等等。

不同电子开关的比较

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图1：几种功率电子器件的容量比较

功率电子器件的研究非常迅速，到目前为止，已经研究出了非常多种的电子器件，可以用来作为电子开关。每一种电子器件又在不断地取得进展，所以下面只对电力电子中最常用的几种全控型器件的外特性作一个比较。图1是几种功率电子器件可处理的最大电压和最大电流示意图。从图中可知，GTO 可以处理的功率最大，IGBT 和GTR 处在中间，但其电压和电流各有千秋，而MOSFET 可以处理的功率且最小。由于功率电子器件的进展非常迅速，上图只是一个示意，图中的每一个器件，其最大电压、最大电流都在不断提高，所以读者可从每一器件的最好制造商手册中去了解这些器件的最新数据，并进行及时的更新。

不同功率电子开关的比较除了从可处理的最大功率容量这一点外，还有许多方面的不同可以比较，如导通时的压降、开关的速度、最大工作结温和各种寄生参数等等。对于每一种功率器件，其制造商都会非常详细地将这种功率器件的各种规格要求制作成数据手册，告诉使用者，所以本文不再对各种功率器件的细节来展开比较，有兴趣的读者可自行到制造商的网站去查阅这些数据资料。