用于高电流能量收集的功率晶体管

虽然太阳能和风电场承诺以清洁和可再生的方式提供大量电力，但电力用户很少靠近发电机。相反，需要使用传输线和开关电路来将原始能量路由和调节到实际位置的可用形式。

虽然接触器和继电器在切换和布线功率方面做得非常好，但是物理运动部件会磨损和老化，随着时间的推移氧化会导致更高的接触电阻。在大多数情况下，使用镀金触点成本太高，特别是对于需要大量横截面积来通过原始电流而不会升温的高电流器件。

一种解决方案是使用非常低电阻的功率晶体管，足够坚固，可以处理风力涡轮机或高容量太阳能电池板阵列可以输出的高电流。这些固态器件必须处理非常大的电流（在某些情况下高达1,900 A）和高电压（在某些情况下高达1,000 V）。

本文着眼于高功率FET表现出低的正向导通电阻（RDS（on））。虽然存在多种零件，但我们将讨论限制在1/10Ω或更低的额定值。本文将研究P通道和N通道器件，这些器件的功率从几百瓦到5,000瓦不等。这些非常适合风力涡轮机的运行阶段以及高容量太阳能设置，功率开关和功率逆变器。

低压应用

大多数旧的太阳能电池板和系统基于12 V倍数，如12,24在这些情况下，最低RDS（on）规格是理想的，需要更高的电流额定值。电压越低，达到相同额定功率的电流越高。此外，电流越高，电线，电缆和触点中的IR加热损失越大。

对于低压应用，通常高达36 V，可提供600 A A IXYS IXTN600N04T2等部件现成的，最多可处理40 V。您可能认为4 V对于过电压条件并没有那么大的摆动空间，对于可能会产生阵风的风力涡轮机可以转化为浪涌，您可能是正确的。然而，对于太阳能电池板，唯一会引起过电压的事情可能是电磁脉冲或巨大的太阳耀斑。在任何一种情况下，我们都会遇到更大的问题，这些问题可能会炸毁电子设备（即使是那些仍然是新的和未使用的盒子）。

N通道IXTN600N04T2在电阻上具有最大正向状态在-55°至+ 175°C的温度范围内（图1），它具有1.3mΩ的稳定性，这也是理想的选择，因为大多数能量收集站点都处于环境极端条件下。

图1：归一化的RDS（on）电阻对温度敏感，但在整个电流范围内非常稳定。

与所有FET和半导体一样，温度过高肆虐，IXTN600也不例外（图2）。

图2：所有FET随温度降低。在这种情况下，额定温度为175°C时，性能会在162°左右迅速下降。

对于高功率48 V面板阵列和聚光器点，N通道Microsemi APTM10UM01FAG已准备好通过860 A通过1.6mΩ系列RDS（on）在100 V时。作为Microsemi APT单开关FREDFET系列的一部分，这些器件可处理2,500 W并使用SP6直接安装到散热器（隔离封装）。

请注意，如上所述，热量是任何一个的敌人。这些部分。即使电阻为1.6mΩ，漏极和源极引脚的电压降也会为1.376 V.在860 A时，这部分需要耗散近1,200 W的功率。连接器电阻也很重要，因为触点的1/10Ω电阻在860 A时会下降86 V.

升级

更现代的趋势 - 使用串联串联的光伏电池板来创造更高的电压水平 - 在许多方面都是有益的。首先，您可以在不增加电流的情况下增加功率。这在材料成本方面节省了很多，特别是当您消除厚铜电缆时。

当多个光伏电池板串联放置时，它们可以送入低成本的并网逆变器，相位角通过交流电表传回电能。例如，如果面板电压为180或360 V，则可使逆变器更容易提供标准120 Vrms交流电源线的169个峰值或339个峰峰值电压。例如，169 V源可以使用H桥配置为直接驱动的正弦波提供339 Vp-p电平。

高压功率FET可以在这些应用中使用。以Microsemi APT51M50J N沟道500 V MOSFET为例。它可以通过非常低的75mΩ串联电阻传递51 A电流，以消耗高达480 W的功率。作为该公司Power MOS 8系列的一部分，这些器件具有低栅极输入电容。这转换为更高的开关速度，因为米勒效应可以倍增栅极电容并限制转换速率和开关速度。关于MOS 8静音切换的Microsemi产品培训模块可以在Digi-Key的网站上找到。

虽然60 Hz逆变器设计确实不需要高速部件，但高速不会受到影响。这些部件的一个很好的特点是相对小巧且易于使用的SOT-227封装，可以安装在散热良好（或冷却）外壳内的外壳上（图3）。

图3：相对较小的SOT-227为散热和散热提供了良好的热连接，同时处理了相当多的功率小面积。

类似的部件来自意法半导体，它制造N沟道53 A STE53NC50 MOSFET。该器件在500 V时具有典型的70mΩ导通电阻，并且还能够以高于60 Hz的微小速率进行开关。该公司的Power MESH II系列基于覆盖技术，可增加内部表面积，使RDS（on）保持低电平，同时提供快速开关速度和栅极电荷坚固性。大约1 x 1.5英寸。 ISOTOP封装也可与SOT-227相媲美。

虽然过电压通常不是太阳能电池阵列正常运行的问题，甚至风力涡轮机也不会出现尖峰和浪涌。即使是远距离的灯光也可以传播，特别是对于并网系统。到目前为止提到的部件都有反向恢复保护二极管可以提供帮助，但是对于N通道部件，电子是主要的载流子，电子移动很快。

这就是为什么P通道部件仍然活着，虽然不那么受欢迎。 P沟道部件使用孔作为主要载体，其通过半导体材料的移动较慢。因此，P沟道部分通常比N沟道部分更能打击。

对于那些棘手和关键的应用，您可能希望从IXYS探索P通道IXTN170P10P 。同样采用SOT-227封装，最高可达100 V和170 A，导通电阻为12mΩ。作为该公司PolarP系列的一部分，这些雪崩级零件坚固耐用，可处理高工作电流和浪涌电流。

总结

可使用机械电极的固态替代品用于更高功率的能量收集设施并且成本更低。固态部件的好处是它们有效地支持非常高的电流，而不需要使用金或银触点来保持低电阻。