3.2　功率开关管

所谓开关电源，就是指电源中调节输出电压/电流的晶体管处于高速开/关工作状态。这些晶体管需要承受很高的电压和很大的电流，因此被称为功率开关管。这也是开关电源的由来。功率开关管主要有双极型晶体管、场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管三种类型。其中，双极型晶体管主要在早期的开关电源中作为功率开关管来使用。随着半导体技术的飞速发展，当今中小功率开关电源中，功率开关管通常以场效应晶体管为主。但是，中小功率的双极型晶体管作为主要元件，依然广泛用于开关电源的控制电路和驱动电路之中。绝缘栅双极型晶体管具有更高的击穿电压和更大的输出电流，主要用于大功率的开关电源中。

开关电源中常用的晶体管外形如图3-2-1所示，图中文字是对应晶体管的封装型号。其中TO-92和SOT-23体积很小，它们的工作电流较小，主要用于开关电源的控制电路；TO-126、TO-220和TO-263体积较大，它们的工作电流较大，普遍用于驱动电路和中等功率的开关电源；TO-3、TO-247和TO-3P体积更大，它们具有更大的工作电流，通常用在大功率的开关电源中。其中SOT-23和TO-263封装为表面贴装器件，英文为Surface Mounted Devices，缩写为SMD。表面贴装器件也称贴片元件。其他封装为直插式器件。

3.2.1　双极型晶体管（BJT）

双极型晶体管全称是双极结型晶体管，英文为Bipolar Junction Transistor，缩写为BJT。它是通过一定的半导体工艺，将两个PN结结合在一起形成的元件，有PNP和NPN两种极性结构。双极型晶体管有3个引脚，经常称之为半导体三极管或晶体三极管，简称三极管。超大功率双极型晶体管，又称电力晶体管，英文为Giant Transistor，直译为巨型晶体管，简称GTR，有时也称为PowerBJT，即功率晶体管。GTR主要用在早期功率很大的开关电源及UPS（不间断电源）中，由于其驱动电路复杂，工作频率较低，现今已经被IGBT所取代。

3.2.1.1　双极型晶体管的工作原理

双极型晶体管有3个引脚，分别为集电极C、基极B和发射极E。双极型晶体管的内部结构与电气符号如图3-2-2所示。双极型晶体管有NPN和PNP两种极性，如图3-2-2（a）所示。NPN型晶体管由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，连接集电极C的N型半导体构成集电区，连接基极B的P型半导体构成基区，连接发射极E的N型半导体构成发射区。发射区和基区之间形成的PN结称为发射结，集电区和基区形成的PN结称为集电结，三条引线分别称为发射极E、基极B和集电极C。PNP型晶体管则由2块P型半导体中间夹着一块N型半导体所组成。

双极型晶体管的电气符号如图3-2-2（b）所示，NPN和PNP两种极性的晶体管的基极B和发射极E之间的箭头方向相反，箭头方向代表了施加电压的极性和电流的流向。对于NPN型晶体管，U_BE施加正极性电压才能产生基极电流；对于PNP型晶体管，U_BE需要施加负极性电压才会产生基极电流。

双极型晶体管属于电流控制型半导体元件，当基极流入较小电流时，在发射极和集电极之间会形成较大的电流，这就是双极型晶体管的放大效应。下面以NPN型晶体管为例，介绍双极型晶体管的工作原理。

双极型晶体管的工作原理与特性曲线图3-2-3所示。

如图3-2-3（a）所示，双极型晶体管工作时，需要施加正极性的U_BE和U_CE，此时发射结正向偏置，集电结反向偏置。基极流入较小的电流I_B，在集电极则会产生较大的电流I_C。I_C与I_B的比值称为直流放大倍数，常用H_FE来表示。H_FE的数值通常在20至200之间。I_B和I_C都会从晶体管发射极E流出，因此发射极电流I_E为基极电流I_B和集电极电流I_C的总和，即I_E=I_B+I_C。由于I_C比I_B大很多，I_E的主要成分为I_C，通常可按I_E=I_C来计算电路参数。

当双极型晶体管工作在放大状态（U_CE≥2V）时，基极对发射极电压U_BE与基极电流I_B的关系曲线如图3-2-3（b）所示，该曲线称为晶体管的输入特性。可以看出，当U_BE从0.5~0.7V变化时，I_B将从0变化到1mA。或者说，I_B从0~1mA变化时，U_BE从0.5V变化到0.7V。可见，晶体管工作在放大状态时，U_BE的变化很小，通常可按0.7V来计算电路参数。

双极型晶体管的输出特性曲线如图3-2-3（c）所示，图中描述了基极电流I_B、集电极电流I_C与集电极对发射极电压U_CE之间的关系曲线。输出特性曲线可分为截止区、放大区和饱和区三个区域。当基极电流I_B=0的时候，晶体管处于截止区，此时集电极电流很小，并且随U_CE的大小变化不大，该电流被称为穿透电流，通常用I_CEO来表示。开关电源的功率开关管关断时就处于截止区。在电路分析计算时，可以认为穿透电流为零。

当晶体管处于放大区的时候，集电极电流I_C与基极电流I_B为固定比例关系，集电极电流I_C的大小为基极电流I_B与晶体管放大倍数H_FE的乘积。此时I_C随U_CE的大小变化不大，晶体管处于恒流输出状态。即基极电流I_B决定集电极电流I_C的大小，与其他参数无关。

如图3-2-3（c）所示，有时也用集电极电流I_C的变化量ΔI_C与基极电流I_B的变化量ΔI_B的比值，来描述晶体管的放大倍数，称为交流放大倍数，常用β来表示。在频率较低的时候直流放大倍数H_FE与交流放大倍数β差别不大，可以认为两者相等。

当集电极对发射极电压U_CE很小的时候，如图3-2-3（c）所示，晶体管将进入饱和区。在饱和区，集电极电流I_C的大小不再是基极电流I_B与晶体管放大倍数H_FE的乘积，而是比这个乘积要小。此时集电极对发射极电压被称为饱和压降，用U_CES或U_CE（sat）来表示。中小功率晶体管的饱和压降U_CES一般在1V以下，大功率的则为2~3V。

如图3-2-3（a）所示，在饱和区域，集电极的电流I_C为集电极电源电压U_CC与集电极电阻R_C的比值（忽略饱和压降U_CES），而与基极电流I_B的大小无关。当基极电流I_B与放大倍数H_FE的乘积稍大于集电极电流I_C时是浅度饱和，远大于集电极电流I_C时则是深度饱和。开关电源的功率开关管导通的时候，就处于饱和区域。在开关电源中，功率开关管深度饱和会影响开关速度，增加开关损耗。因此并不是饱和深度越大越好。

3.2.1.2　双极型晶体管的主要参数

双极型晶体管的参数很多，对于开关电源使用的功率开关管来说，应该主要关注以下几项参数。

① 集电极-基极击穿电压：用U_CBO、U_（BR）CBO或BU_CBO表示。该参数为发射极开路时，集电极与基极之间的最大允许电压。超过该电压时，晶体管将会击穿损坏。

② 集电极-发射极击穿电压：用U_CEO、U_（BR）CEO或BU_CEO表示。该参数为基极开路时，集电极与发射极之间的最大允许电压。超过该电压时，晶体管将会击穿损坏。

③ 集电极电流：用I_C表示。该参数为集电极允许的连续工作电流，即DC电流。

④ 集电极最大允许电流：用I_CM表示。该参数为集电极允许的峰值工作电流，即脉冲电流。通常指晶体管的放大倍数下降到标称值的一半或2/3对应的I_C值。超过该电流时，晶体管可能会过电流损坏。

⑤ 集电极最大允许功耗：用P_CM表示。该参数为集电极允许的最大功率损耗，通常是在管壳温度为25℃时测量的。当管壳温度为75℃时，最大允许功耗通常会下降到P_CM值的一半左右。

⑥ 集电极-发射极饱和压降：用U_CES或U_CE（sat）表示。该参数为晶体管饱和导通时，集电极与发射极之间的导通电压。该电压越小，晶体管的导通损耗就越低。

⑦ 直流放大倍数：用H_FE或β表示。该参数为晶体管工作在线性放大区域时，集电极电流I_C与基极电流I_B的比值。H_FE越大，产生相同集电极电流I_C所需要的基极电流I_B就越小，这有利于降低驱动电路的功率消耗。

⑧ 开通时间：用t_ON表示。该参数为晶体管从截止状态进入饱和导通状态所需要的时间。t_ON为开通延时（t_d）与上升时间（t_r）的总和，其数值通常为1μs左右。

⑨ 关断时间：用t_OFF表示。该参数为晶体管从饱和导通状态进入截止状态所需要的时间。t_OFF为存储时间（t_s）与下降时间（t_f）的总和，其中t_s所占比例较大。t_OFF的数值通常在2~5μs之间。

双极型晶体管可分为低频放大、低频开关、高频放大、高频开关等多种类型。开关电源中使用的功率开关管应为高频开关型大功率晶体管。这类晶体管具有较小的开通（t_ON）和关断（t_OFF）时间，以便降低开关损耗。表3-2-1给出了开关电源常用的几种晶体管主要参数，供读者参考。

3.2.1.3　双极型晶体管的使用注意事项

（1）关于集电极电压

在开关电源中，选用双极型功率开关管时，首先要考虑晶体管的击穿电压。晶体管的击穿电压应为功率开关管所承受最大电压的1.3~1.5倍以上。通常按U_CEO≥（1.3~1.5）U_CEmax来选择。鉴于开关电源的功率开关管关断时，通常在其基极施加一定的负电压，开关管实际承受集电极-基极的电压。因此，也可按U_CBO≥（1.5~2）U_CEmax来选择晶体管的击穿电压。

（2）关于集电极电流

功率开关管的最大集电极电流I_C通常留出1~2倍的电流余量。即晶体管的集电极电流I_C应为开关管最大工作电流的2~3倍。如果按集电极最大允许电流I_CM来选择，安全系数应该更大一些，可按I_CM≥（3~4）I_Cmax来选择晶体管集电极电流。

（3）关于放大倍数

为了提高开关速度，开关型大功率晶体管的电流放大倍数H_FE值较低，其最小值一般仅为5~10倍。这要求驱动电路必须能够提供更大的基极电流。另外，当集电极电流I_C较大的时候，H_FE的数值还会随着I_C的增加而迅速减小。图3-2-4给出了MJE13005的放大倍数和集电极电流的关系曲线。可以看出，当集电极电流I_C小于1A的时候，H_FE的数值在30倍以上；当I_C达到4A的时候，H_FE将下降到10倍以下。该型号晶体管的集电极电流标称值为4A，可见要想得到较高的放大倍数，还需要限制晶体管的工作电流才行。

（4）关于二次击穿问题

双极型晶体管在高电压时会出现二次击穿现象，此时所能承受功率消耗远小于其集电极最大允许功耗P_CM。为了防止晶体管二次击穿损坏，严禁开关型晶体管工作在高电压线性放大区域。这也要求晶体管驱动电路具备高速转换能力，以便使晶体管快速的导通与关断。

（5）关于晶体管温度

晶体管的外壳温度对允许功率损耗P_C影响也很大。图3-2-5给出了MJE13005的功率损耗和外壳温度的关系曲线，该型号晶体管的集电极最大功耗P_CM标称值为75W。从图中可以看出，仅在外壳温度小于25℃的时候，晶体管功耗允许达到75W。当外壳温度达到100℃时，允许功耗最大值只有30W。这说明晶体管在高温环境下工作时，允许的功率损耗会大大降低。此时要解决的问题重点并不是要选择P_CM更大晶体管，而是要给晶体管施加更大的散热器，或者采用风扇强制冷却，以便使其温度下降到较低的水平。这也是大功率开关电源需要配备冷却风扇的根本原因。

鉴于双极型晶体管在开关电源中使用时受到许多限制，当今的开关电源，已经不推荐使用双极型功率开关管了。在中、小功率开关电源中，场效应晶体管是功率开关管的最佳选择。

3.2.2　场效应晶体管（MOSFET）

场效应晶体管，英文为Field Effect Transistor，缩写为FET，简称场效应管。场效应晶体管主要有两种类型：一种为结型场效应管，英文为junction FET，简称JFET；另一种为金属氧化物半导体场效应晶体管，英文为Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，简称MOSFET。MOSFET又分为增强型和耗尽型，并有N沟道和P沟道之分。开关电源中使用的场效应管主要是增强型N沟道MOSFET。MOSFET属于电压控制型半导体器件，具有驱动功率小、工作频率高、没有二次击穿现象和安全工作区宽等优点，现已成为双极型晶体管的替代者，广泛应用于开关电源电路中。大功率的MOSFET也称功率场效应管，英文为Power MOSFET，简称功率MOSFET，是现代开关电源最常用的功率开关管。

3.2.2.1　功率MOSFET的工作原理

功率MOSFET也有3个引脚，分别为漏极D，栅极（也称门极）G和源极S。功率MOSFET普遍采用垂直沟道设计，漏极和源极置于晶圆的相反两端。由于更多的空间可用作源极，因此这种结构更适合用于功率器件。由于源极和漏极之间的长度减小，因此可增加漏极至源极额定电流，并可通过扩大外延层来提高电压阻断能力。

功率MOSFET的内部结构与电气符号如图3-2-6所示。图3-2-6（a）给出的是具有双扩散结构的垂直沟道MOSFET示意图，这也是最成功的产品设计之一。MOSFET的电气符号如图3-2-2（b）所示，其极性有N沟道和P沟道两种，其中N沟道功率MOSFET应用最多。功率MOSFET的内部结构使其寄生了一个二极管，称之为体二极管。这个二极管具有和MOSFET相同的工作频率，可以作为高频整流管来使用。现今的同步整流技术就利用了这个体二极管。正常工作时，体二极管处于反向截止状态，不影响MOSFET的开/关操作。

功率MOSFET是增强型MOSFET，对于N沟道MOSFET，U_GS施加正极性电压才能产生漏极电流；对于P沟道MOSFET，U_GS需要施加负极性电压才会产生漏极电流。

功率MOSFET属于电压控制型半导体元件，当U_GS施加一定的电压时，在源极和漏极之间会形成较大的电流，这就是功率MOSFET的放大效应。下面以N沟道功率MOSFET为例，介绍其工作原理。

功率MOSFET的工作原理与特性曲线如图3-2-7所示。其中图（a）为工作原理，图（b）为转移特性曲线，图（c）为输出特性曲线。如图3-2-7（a）所示，功率MOSFET工作时，需要施加正极性的U_GS和U_DS，只要在栅极施加一定的电压，就会在漏极产生较大的电流I_D。由于MOSFET的输入阻抗很高，栅极电流极小，因此漏极电流I_D与源极电流I_S相等，通常将流过源极的电流也称为漏极电流I_D，并以此来计算电路参数。

功率MOSFET的栅极对源极电压（简称栅-源电压）U_GS与漏极电流I_D的关系曲线如图3-2-7（b）所示，该曲线称为MOSFET的转移特性。可以看出，当U_GS从0~U_GS（th）变化时，漏极电流I_D始终为零，功率MOSFET处于截止（关断）状态；当U_GS大于U_GS（th）以后，随着U_GS的增加漏极电流I_D开始迅速增大，功率MOSFET处于导通状态。可见U_GS（th）是功率MOSFET导通与关断的切换点电压，该电压叫做开启电压或阈值电压。功率MOSFET的开启电压通常在2~4V之间。

功率MOSFET的输出特性曲线如图3-2-7（c）所示，图中描述了栅-源电压U_GS、漏极电流I_D与漏极对源极电压（简称漏-源电压）U_DS之间的关系曲线。输出特性曲线可分为截止区、饱和区和电阻区三个区域。当U_GS小于开启电压U_GS（th）的时候，MOSFET处于截止区（关断状态），此时漏极电流很小，并且不随U_DS的大小变化，该电流被称为漏电流，通常用I_DSS来表示。开关电源的功率开关管关断时就处于截止区。在电路分析计算时，可以认为漏电流为零。

随着U_GS升高，功率MOSFET开始产生更大漏极电流，进入导通状态。此时，如果U_DS较大，MOSFET将工作在图3-2-7（c）所示饱和区。在饱和区的时候，漏极电流只与U_GS大小有关，而与U_DS大小无关。也就是说，此时极漏电流I_D处于恒定电流状态，因此，饱和区也称为恒流区。

功率MOSFET的饱和区和双极型晶体管的放大区特性基本相同。如图3-2-7（c）所示，通常用漏极电流I_D的变化量ΔI_D与栅-源电压U_GS的变化量ΔU_GS的比值，来描述MOSFET的放大能力，称为正向跨导，常用g_fs来表示。漏极电流I_D越大的功率MOSFET，其正向跨导g_fs值也越大。

功率MOSFET进入导通状态时，如果漏-源电压U_DS较低，MOSFET将处于电阻区。如图3-2-7（c）所示，该区域位于U_DS=U_GS-U_GS（th）边界线的左侧。在该区域MOSFET的漏极与源极之间呈现为固定电阻，该电阻被称为导通电阻，常用R_DS（ON）来表示。如果漏-源电压U_DS为零，则无论栅-源电压U_GS为多少，漏极电流I_D也会变为零。R_DS（ON）的阻值与U_GS的大小有关，因此该区域也称为可变电阻区或欧姆区。开关电源的功率开关管导通时就处在该区域。因此，即使漏极电流I_D很大，也可通过选择较低R_DS（ON）的功率MOSFET，来保持较低的导通损耗。

3.2.2.2　功率MOSFET的主要参数

功率MOSFET的参数很多，对于开关电源使用的功率开关管来说，主要关注以下参数。

① 漏极-源极击穿电压：用U_DSS或BU_DSS表示。该参数为栅-源电压U_GS=0时，漏极D和源极S之间的最大允许电压。超过该电压时，MOSFET将被击穿。

② 栅极（也称门极）电压：用U_GS或U_GSS表示。该参数为栅极G与源极S之间的最大允许电压。超过该电压时，MOSFET将被击穿。

③ 漏极电流：用I_D表示。该参数为MOSFET漏极允许的连续工作电流，即DC电流。

④ 漏极最大允许电流：用I_DM表示。该参数为MOSFET漏极允许的峰值工作电流，即脉冲电流。超过该电流时，MOSFET可能过电流损坏。

⑤ 漏极最大允许功耗：用P_D表示。该参数为MOSFET漏极允许的最大功率损耗，通常是在管壳温度为25℃时测量的。当管壳温度为75℃时，最大允许功耗通常会下降到P_D值的一半左右。

⑥ 漏极-源极导通电阻：用R_DS（ON）表示。该参数为MOSFET导通时，漏极与源极之间的等效电阻。该电阻值越小，MOSFET的导通损耗就越低。

⑦ 栅极阈值电压：用U_GS（th）表示。当栅极与源极之间达到该电压时，开始产生漏极电流I_D。该电压也称为开启电压。U_GS（th）通常在2~4V之间。

⑧ 输入电容：用C_iss表示。该参数为MOSFET栅极与源极之间的等效电容。这是栅极驱动电路设计时需要考虑的重要参数。

⑨ 开通时间：用t_ON表示。该参数为MOSFET从截止状态进入饱和导通状态所需要的时间。t_ON为开通延时（t_d（ON））与上升时间（t_r）的总和，其数值通常为100ns左右。

⑩ 关断时间：用t_OFF表示。该参数为MOSFET从饱和导通状态进入截止状态所需要的时间。t_OFF为关断延时（t_d（OFF））与下降时间（t_f）的总和，其数值通常在100~200ns之间。

功率MOSFET也分为高速与低速等多种类型。开关电源中使用的功率MOSFET应为高速开关型。这类MOSFET具有更小的开通（t_ON）和关断（t_OFF）时间，以便降低其开关损耗。表3-2-2给出了开关电源常用的几种功率MOSFET主要参数，供读者参考。

3.2.2.3　功率MOSFET的使用注意事项

（1）关于漏极电压

在开关电源中，选择功率MOSFET时，首先要考虑击穿电压。由于MOSFET不存在二次击穿现象，电压余量可以选小一些，通常按MOSFET的击穿电压U_DSS为功率开关管所承受最大电压的1.2~1.4倍即可。

（2）关于漏极电流

由于多数功率MOSFET的最大漏极电流I_DM为额定漏极电流I_D的3~4倍，因此，电流余量也可以选小一些，通常选择MOSFET漏极电流I_D为功率开关管的最大漏极电流的1.5~2倍即可。

需要说明：功率MOSFET参数表中给出的额定漏极电流I_D，通常是在其外壳温度T_C为25℃时的参数值。当MOSFET外壳温度升高的时候，其额定漏极电流I_D将会下降。图3-2-8给出了IRF840的漏极电流和外壳温度的关系曲线。可以看出，T_C为25℃时，I_D为8A；当T_C为75℃时，I_D下降为6A；当T_C为100℃时，I_D下降为5A。这表明当功率MOSFET工作在高温环境时，应该选择额定漏极电流I_D更大MOSFET，以便满足高温时的漏极工作电流要求。

（3）关于导通电阻

通常额定漏极电流I_D较小的MOSFET，其导通电阻R_DS（ON）较大。在漏极电流较大的时候，功率开关管的导通损耗也会较大，为了降低导通损耗，应该选择导通电阻R_DS（ON）较小的功率MOSFET。

此外，导通电阻R_DS（ON）还会随着漏极电流I_D的增加而变大。图3-2-9给出了IRF840的导通电阻和漏极电流的关系曲线。可以看出，当I_D为5A时，R_DS（ON）不到0.7Ω；当I_D为10A时，R_DS（ON）大约0.8Ω；当I_D为20A时，R_DS（ON）将达到1.2Ω左右。

（4）关于栅极电压

前文说过，R_DS（ON）的阻值与U_GS的大小有关。但是，当U_GS大到一定程度（一般为10V以上），R_DS（ON）的阻值基本不再变化。图3-2-9也给出了U_GS为10V和20V时R_DS（ON）的阻值曲线，可以看出其差异不大。因此，功率MOSFET驱动电路的输出电压应该大于10V，通常选择为12~15V。

（5）关于输入电容

虽然功率MOSFET的输入阻抗很高，但其栅极G与源极S之间存在较大的输入电容。根据生产厂家和制造工艺的不同，输入电容C_iss的容量差异也较大。为了提高开关速度，减小驱动电路的负载，应选择输入电容C_iss较小的功率MOSFET。

此外，为了提高开关速度，需要给输入电容快速的充放电，这就要求驱动电路能够提供很大的峰值电流，该电流通常可达1~2A，但持续时间通常不到100ns。这也说明，虽然功率MOSFET驱动电路的功耗很小，但仍然需要输出很大的峰值电流。

（6）关于管壳温度

和双极型晶体管一样。当功率MOSFET的管壳温度升高时，最大允许电流及功耗会明显下降。同时，高温也会使导通电阻R_DS（ON）的增大，产生更大的导通损耗。因此，许多厂家在其器件参数表中直接给出了T_C为100℃时允许的漏极电流值或者给出了高温降额曲线。读者一定要根据功率开关管的实际工作温度来修正最大允许漏极电流I_D的参数值。

3.2.3　绝缘栅双极型晶体管（IGBT）

绝缘栅双极型晶体管，英文为Insulated Gate Bipolar Transistor，缩写和简称为IGBT。IGBT是由场效应晶体管（MOSFET）与双极型晶体管（BJT）复合而成的大功率电力电子器件，其等效电路与电路符号如图3-2-10所示。

从图3-2-10（a）可以看出，IGBT由一只N沟道MOSFET和一只PNP型BJT组成，器件引出了3个引脚，分别命名为栅极（也称门极）G、发射极E和集电极C。IGBT的电路符号如图3-2-10（b）和图3-2-10（c）所示，其中图3-2-10（b）代表内部没有反向二极管的IGBT，其内部结构为图3-2-10（a）；图3-2-10（c）代表内部接有反向二极管的IGBT，是在图3-2-10（a）的基础上集成了一只快恢复二极管。开关电源中使用的通常是接有反向二极管的IGBT，即图3-2-10（c）所示的电路符号。

IGBT输入端为MOSFET的栅极G，具有MOSFET的输入特性，属于电压控制型半导体器件。IGBT输出端为BJT的发射极E和集电极C，具有BJT的输出特性。因此，IGBT将MOSFET和BJT的优点集于一身，具有输入阻抗高、耐压高、工作电流大、速度快、导通压降低等优点。其典型工作频率在20~30kHz之间，有些高速IGBT，最高工作频率可达100kHz。IGBT的主要应用领域为大功率变频器、逆变器、电焊机、UPS等电气设备，也经常在中功率开关电源、PFC（功率因数校正）电路及家用电磁炉中使用。

3.2.3.1　IGBT的工作原理

IGBT的工作原理与特性曲线图3-2-11所示。其中图（a）为工作原理，图（b）为转移特性曲线，图（c）为输出特性曲线。如图3-2-11（a）所示，IGBT工作时，需要施加正极性的U_GE和U_CE，只要在栅极施加一定的电压，就会在集电极产生较大的电流I_C。由于IGBT的栅极G与功率MOSFET有着近乎完全相同的特性，其输入阻抗很高，栅极电流极小，因此集电极电流I_C与发射极电流I_E相等，通常将流过发射极的电流也称为集电极电流I_C，并以此来计算电路参数。

IGBT的栅极对发射极电压U_GE与集电极电流I_C的关系曲线如图3-2-11（b）所示，该曲线称为IGBT的转移特性。可以看出，当U_GE从0~U_GE（th）变化时，集电极电流I_C始终为零，IGBT处于截止（关断）状态；当U_GE大于U_GE（th）以后，随着U_GE的增加集电极电流I_C开始迅速增大，IGBT进入导通状态。这个特性与功率MOSFET基本相同，U_GE（th）是IGBT导通与关断的切换点电压，该电压叫做开启电压或阈值电压。不同的是，IGBT的开启电压比功率MOSFET稍高一些，通常在4~6V之间。

IGBT的输出特性曲线如图3-2-11（c）所示，图中描述了栅极对发射极电压U_GE、集电极电流I_C与集电极极对发射极电压U_CE之间的关系曲线。IGBT的输出特性与双极型晶体管的输出特性几乎完全相同，特性曲线也分为截止区、放大区和饱和区三个区域。当U_GE小于开启电压U_GE（th）的时候，IGBT处于截止区（关断状态），此时漏极电流很小，并且随U_CE的变化不大，该电流被称为漏电流或关断电流，通常用I_CES来表示。开关电源的功率开关管关断时就处于截止区。在电路分析计算时，可以认为关断电流为零。

与双极型晶体管不同的是，IGBT通常作为功率开关管使用，仅工作在饱和区和截止区，还没有见到过IGBT用于线性放大器的报道。IGBT工作在饱和区的时候，具有和双极型晶体管相同的输出特性，其饱和压降U_CE（sat）一般为2V左右。在高电压、大功率开关电源中，IGBT的导通损耗比功率MOSFET要稍低一些。由于功率MOSFET的制造工艺限制，还不能达到更大功率容量的要求。因此，在超大功率开关电源中，IGBT几乎成了唯一可以选择的开关元件了。

3.2.3.2　IGBT的主要参数

IGBT的参数很多，对于开关电源使用的IGBT功率开关管来说，主要关注以下参数。

① 集电极-发射极击穿电压：用U_CES、U_（BR）CES或BU_CES表示。该参数为集电极与发射极之间的最大允许电压。超过该电压时，IGBT将被击穿。

② 栅极（也称门极）电压：用U_GE或U_GES表示。该参数为栅极G与发射极E之间的最大允许电压。超过该电压时，IGBT将被击穿。

③ 集电极电流：用I_C表示。该参数为集电极允许的连续工作电流，即DC电流。

④ 集电极最大允许电流：用I_CM表示。该参数为集电极允许的峰值工作电流，即脉冲电流。超过该电流时，IGBT可能过电流损坏。

⑤ 集电极最大允许功耗：用P_D表示。该参数为集电极允许的最大功率损耗，通常是在管壳温度为25℃时测量的。当管壳温度为100℃时，最大允许功耗通常会下降到P_D值的三分之一左右。

⑥ 集电极-发射极饱和压降：用U_CE（sat）表示。该参数为饱和导通时，集电极与发射极之间的导通电压。该电压越小，IGBT的导通损耗就越低。

⑦ 栅极阈值电压：用U_GE（th）表示。当栅极与发射极之间达到该电压时，开始产生集电极电流I_C。该电压也称为开启电压。U_GE（th）通常在4~8V之间。

⑧ 输入电容：用C_ies表示。该参数为IGBT栅极与发射极之间的等效电容。这是栅极驱动电路设计时需要考虑的重要参数。

⑨ 开通时间：用t_ON表示。该参数为IGBT从截止状态进入饱和导通状态所需要的时间。t_ON为开通延时（t_d（ON））与上升时间（t_r）的总和，其数值通常为100ns左右。

⑩ 关断时间：用t_OFF表示。该参数为IGBT从饱和导通状态进入截止状态所需要的时间。t_OFF为关断延时（t_d（OFF））与下降时间（t_f）的总和，其数值通常在200~400ns之间。

⑪ 开通损耗：用E_ON表示。该参数为IGBT从截止状态进入饱和导通状态的过程中所产生的损耗。该损耗与测试条件有很大关系，请详细参考相关器件数据表。

⑫ 关断损耗：用E_OFF表示。该参数为IGBT从饱和导通状态进入截止状态的过程中所产生的损耗。该损耗与测试条件有很大关系，请详细参考相关器件数据表。

IGBT也可分为低速和高速等多种类型。开关电源中使用的功率开关管应为高速IGBT。这类器件具有较小的开通损耗（E_ON）和关断损耗（E_OFF），以便提高电源效率及减小散热器的尺寸和重量。表3-2-3给出了开关电源常用的几种IGBT主要参数，供读者参考。

3.2.3.3　IGBT的使用注意事项

（1）关于集电极电压

在开关电源中，选择功率IGBT时，首先要考虑击穿电压。通常按IGBT的击穿电压U_CES为功率开关管所承受最大电压的1.3~1.5倍即可。

（2）关于集电极电流

IGBT属于电压控制型半导体元件，在集电极电流较大时，并没有像双极型晶体管出现放大倍数明显减小的情况。因此，其电流余量也可以选小一些，通常选择IGBT集电极额定电流I_C为功率开关管所承受的最大集电极电流的1.5~2倍即可。但需要考虑高温时IGBT集电极额定电流I_C将会明显下降，因此，读者一定要根据IGBT的实际工作温度来查看高温降额曲线。

为了便于器件选择，众多厂家的器件参数表中，都给出了管壳温度T_C为25℃和100℃时对应的集电极电流值。有些厂家的器件型号中直接给出了T_C为100℃时对应的集电极电流。例如，STGW45HF60WD，其中“45”代表T_C为100℃时对应的集电极电流为45A。该器件在T_C为25℃时，I_C为70A。读者一定要根据厂家的器件资料核对相关参数值的测试条件，以免造成错误信息。

（3）关于栅极驱动电路

IGBT的饱和压降U_CE（sat）与栅极电压U_GE的大小有关。U_GE越大，U_CE（sat）就越小。但是，当U_GE大到12V以上时，U_CE（sat）基本不再变化。因此，IGBT驱动电路的输出电压应该大于12V，通常选取为15V。此外，在IGBT关断时，通常还要施加反向电压来防止IGBT意外导通，该电压一般为―5~―15V，典型值为―8V。和功率MOSFET驱动电路一样，IGBT的驱动电路也要能够提供很大的峰值电流，该电流通常可达1~2A，但持续时间通常不到200ns。因此驱动电路的平均功耗并不大。

对于大功率的IGBT模块，通常采用专用的IGBT厚膜驱动电路组件，例如EXB841和M57962L。这些驱动电路组件能够提供―5~―10V的反向电压，能输出高达4~5A峰值驱动电流，并且具有过电流检测与保护功能，是IGBT驱动电路的首选元件。

（4）关于管壳温度

和其他大功率半导体元件一样。当IGBT的管壳温度升高时，最大允许电流及允许功耗会明显下降。读者一定要根据功率开关管的实际工作温度来修正集电极电流I_C和集电极允许功耗P_D的参数值，以免IGBT因温度过高而损坏。