用于高電流能量收集的功率晶體管

雖然太陽能和風電場承諾以清潔和可再生的方式提供大量電力，但電力用戶很少靠近發(fā)電機。相反，需要使用傳輸線和開關(guān)電路來將原始能量路由和調(diào)節(jié)到實際位置的可用形式。

雖然接觸器和繼電器在切換和布線功率方面做得非常好，但是物理運動部件會磨損和老化，隨著時間的推移氧化會導致更高的接觸電阻。在大多數(shù)情況下，使用鍍金觸點成本太高，特別是對于需要大量橫截面積來通過原始電流而不會升溫的高電流器件。

一種解決方案是使用非常低電阻的功率晶體管，足夠堅固，可以處理風力渦輪機或高容量太陽能電池板陣列可以輸出的高電流。這些固態(tài)器件必須處理非常大的電流（在某些情況下高達1,900 A）和高電壓（在某些情況下高達1,000 V）。

本文著眼于高功率FET表現(xiàn)出低的正向?qū)娮瑁≧DS（on））。雖然存在多種零件，但我們將討論限制在1/10Ω或更低的額定值。本文將研究P通道和N通道器件，這些器件的功率從幾百瓦到5,000瓦不等。這些非常適合風力渦輪機的運行階段以及高容量太陽能設(shè)置，功率開關(guān)和功率逆變器。

低壓應(yīng)用

大多數(shù)舊的太陽能電池板和系統(tǒng)基于12 V倍數(shù)，如12,24在這些情況下，最低RDS（on）規(guī)格是理想的，需要更高的電流額定值。電壓越低，達到相同額定功率的電流越高。此外，電流越高，電線，電纜和觸點中的IR加熱損失越大。

對于低壓應(yīng)用，通常高達36 V，可提供600 A A IXYS IXTN600N04T2等部件現(xiàn)成的，最多可處理40 V。您可能認為4 V對于過電壓條件并沒有那么大的擺動空間，對于可能會產(chǎn)生陣風的風力渦輪機可以轉(zhuǎn)化為浪涌，您可能是正確的。然而，對于太陽能電池板，唯一會引起過電壓的事情可能是電磁脈沖或巨大的太陽耀斑。在任何一種情況下，我們都會遇到更大的問題，這些問題可能會炸毀電子設(shè)備（即使是那些仍然是新的和未使用的盒子）。

N通道IXTN600N04T2在電阻上具有最大正向狀態(tài)在-55°至+ 175°C的溫度范圍內(nèi)（圖1），它具有1.3mΩ的穩(wěn)定性，這也是理想的選擇，因為大多數(shù)能量收集站點都處于環(huán)境極端條件下。

圖1：歸一化的RDS（on）電阻對溫度敏感，但在整個電流范圍內(nèi)非常穩(wěn)定。

與所有FET和半導體一樣，溫度過高肆虐，IXTN600也不例外（圖2）。

圖2：所有FET隨溫度降低。在這種情況下，額定溫度為175°C時，性能會在162°左右迅速下降。

對于高功率48 V面板陣列和聚光器點，N通道Microsemi APTM10UM01FAG已準備好通過860 A通過1.6mΩ系列RDS（on）在100 V時。作為Microsemi APT單開關(guān)FREDFET系列的一部分，這些器件可處理2,500 W并使用SP6直接安裝到散熱器（隔離封裝）。

請注意，如上所述，熱量是任何一個的敵人。這些部分。即使電阻為1.6mΩ，漏極和源極引腳的電壓降也會為1.376 V.在860 A時，這部分需要耗散近1,200 W的功率。連接器電阻也很重要，因為觸點的1/10Ω電阻在860 A時會下降86 V.

升級

更現(xiàn)代的趨勢 - 使用串聯(lián)串聯(lián)的光伏電池板來創(chuàng)造更高的電壓水平 - 在許多方面都是有益的。首先，您可以在不增加電流的情況下增加功率。這在材料成本方面節(jié)省了很多，特別是當您消除厚銅電纜時。

當多個光伏電池板串聯(lián)放置時，它們可以送入低成本的并網(wǎng)逆變器，相位角通過交流電表傳回電能。例如，如果面板電壓為180或360 V，則可使逆變器更容易提供標準120 Vrms交流電源線的169個峰值或339個峰峰值電壓。例如，169 V源可以使用H橋配置為直接驅(qū)動的正弦波提供339 Vp-p電平。

高壓功率FET可以在這些應(yīng)用中使用。以Microsemi APT51M50J N溝道500 V MOSFET為例。它可以通過非常低的75mΩ串聯(lián)電阻傳遞51 A電流，以消耗高達480 W的功率。作為該公司Power MOS 8系列的一部分，這些器件具有低柵極輸入電容。這轉(zhuǎn)換為更高的開關(guān)速度，因為米勒效應(yīng)可以倍增柵極電容并限制轉(zhuǎn)換速率和開關(guān)速度。關(guān)于MOS 8靜音切換的Microsemi產(chǎn)品培訓模塊可以在Digi-Key的網(wǎng)站上找到。

雖然60 Hz逆變器設(shè)計確實不需要高速部件，但高速不會受到影響。這些部件的一個很好的特點是相對小巧且易于使用的SOT-227封裝，可以安裝在散熱良好（或冷卻）外殼內(nèi)的外殼上（圖3）。

圖3：相對較小的SOT-227為散熱和散熱提供了良好的熱連接，同時處理了相當多的功率小面積。

類似的部件來自意法半導體，它制造N溝道53 A STE53NC50 MOSFET。該器件在500 V時具有典型的70mΩ導通電阻，并且還能夠以高于60 Hz的微小速率進行開關(guān)。該公司的Power MESH II系列基于覆蓋技術(shù)，可增加內(nèi)部表面積，使RDS（on）保持低電平，同時提供快速開關(guān)速度和柵極電荷堅固性。大約1 x 1.5英寸。 ISOTOP封裝也可與SOT-227相媲美。

雖然過電壓通常不是太陽能電池陣列正常運行的問題，甚至風力渦輪機也不會出現(xiàn)尖峰和浪涌。即使是遠距離的燈光也可以傳播，特別是對于并網(wǎng)系統(tǒng)。到目前為止提到的部件都有反向恢復(fù)保護二極管可以提供幫助，但是對于N通道部件，電子是主要的載流子，電子移動很快。

這就是為什么P通道部件仍然活著，雖然不那么受歡迎。 P溝道部件使用孔作為主要載體，其通過半導體材料的移動較慢。因此，P溝道部分通常比N溝道部分更能打擊。

對于那些棘手和關(guān)鍵的應(yīng)用，您可能希望從IXYS探索P通道IXTN170P10P 。同樣采用SOT-227封裝，最高可達100 V和170 A，導通電阻為12mΩ。作為該公司PolarP系列的一部分，這些雪崩級零件堅固耐用，可處理高工作電流和浪涌電流。

總結(jié)

可使用機械電極的固態(tài)替代品用于更高功率的能量收集設(shè)施并且成本更低。固態(tài)部件的好處是它們有效地支持非常高的電流，而不需要使用金或銀觸點來保持低電阻。