NO.217功率電子器件知識基礎功率電子器件知識基礎一、功率電子器件及其應用要求功率電子器件大量被應用于電源、伺服驅動、變頻器、電機保護器等功率電子設備。這些設備都是自動化系統(tǒng)中必不可少的，因此，我們了解它們是必要的。近年來，隨著應用日益高速發(fā)展的需求，推動了功率電子器件的制造工藝的研究和發(fā)展，功率電子器件有了飛躍性的進步。器件的類型朝多元化發(fā)展，性能也越來越改善。大致來講，功率器件的發(fā)展，體現在如下方面：MOSFET赫以上。通態(tài)壓降（）速度，減小器件體積。代可控硅?？傮w來講，從耐壓、電流能力看，可控硅目前仍然是最高的，在某些特定場合，仍然要使用大電流、高耐壓的可控硅。但一般的工業(yè)自動化場合，功率電子器件已越來越多地使用MOSFET和IGBT，特別是IGBT獲得了更多的使用，開始全面取代可控硅來做為新型的功率控制器件。二、功率電子器件概覽1、整流二極管：二極管是功率電子系統(tǒng)中不可或缺的器件，用于整流、續(xù)流等。目前比較多地使用如下三種選擇：高效快速恢復二極管。壓降0.8-1.2V，適合小功率，12V左右電源。高效超快速二極管。0.8-1.2V，適合小功率，12VSBD。0.4V5V（200V），反向漏電流較大，易熱擊穿。但速度比較快，通態(tài)壓降低。目前SBD的研究前沿，已經超過12、大功率晶體管GTR分為：單管形式。電流系數：10-30。雙管形式——達林頓管。電流倍數：100-1000。飽和壓降大，速度慢。 實際比較常用的是達林頓模塊，它把GTR、續(xù)流二極管、輔助電路做到一個模塊內。在較早期的功率電子設備中，比較多地使用了這種器件。下圖是這種器件的內部典型結構。圖：達林頓模塊電路典型結構兩個二極管左側是加速二極管，右側為續(xù)流二極管。加速二極管的原理是引進了電流串聯正反饋，達到加速的目的。這種器件的制造水平是1800V/800A/2KHz、600V/3A/100KHz左右（參考）。3、可控硅SCR可控硅在大電流、高耐壓場合還是必須的，但在常規(guī)工業(yè)控制的低壓、中小電流控制中，已逐步被新型器件取代。目前的研制水平在12KV/8000A左右（參考）。由于可控硅換流電路復雜，逐步開發(fā)了門極關斷晶閘管GTO。制造水平達到8KV/8KA，頻率為1KHz左右。無論是SCR還是GTO，控制電路都過于復雜，特別是需要龐大的吸收電路。而且，速度低，因此限制了它的應用范圍拓寬。集成門極換流晶閘管IGCT和MOS關斷晶閘管之類的器件在控制門極前使用了MOS柵，從而達到硬關斷能力。4、功率MOSFET100V以下，是比較理想的器件。目前的研制水平在1000V/65A左右（參考）。商業(yè)化的產品達到、500V/50A/100KHz5、IGBT又叫絕緣柵雙極型晶體管。這種器件的特點是集MOSFET與GTR的優(yōu)點于一身。輸入阻抗高，速度快，熱穩(wěn)定性好。通態(tài)電壓低，耐壓高，電流大。目前這種器件的兩個方向：一是朝大功率，二是朝高速度發(fā)展。大功率IGBT模塊達到1200-1800A/1800-3300V的水平（參考）。速度在中等電壓區(qū)域（370-600V），可達到150-180KHz。它的電流密度比MOSFET大，芯片面積只有MOSFET的40%。但速度比MOSFET低。盡管電力電子器件發(fā)展過程遠比我們現在描述的復雜，但是MOSFET和IGBT，特別是IGBT已經成為現代功率電子器件的主流。因此，我們下面的重點也是這兩種器件。三、功率場效應管MOSFET功率場效應管又叫功率場控晶體管。1、原理：實際上，功率場效應管也分結型、絕緣柵型。但通常指后者中的MOS管，即MOSFET（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor）。它又分為N溝道、P溝道兩種。器件符號如下：圖：MOSFET的圖形符號MOS器件的電極分別為柵極G、漏極D、源極S。和普通MOS管一樣，它也有：耗盡型：柵極電壓為零時，即存在導電溝道。無論VGS正負都起控制作用。增強型：需要正偏置柵極電壓，才生成導電溝道。達到飽和前，VGS正偏越大，IDS越大。一般使用的功率MOSFET多數是N溝道增強型。而且不同于一般小功率MOS管的橫向導電結構，使用了垂直導電結構，從而提高了耐壓、電流能力，因此又叫VMOSFET。2、特點：這種器件的特點是輸入絕緣電阻大（1），基本為零。適合低壓100V以下，是比較理想的器件。目前的研制水平在1000V/65A左右（參考）。其速度可以達到幾百KHz，使用諧振技術可以達到兆級。3、參數與器件特性：關系不大，故熱穩(wěn)定性好。轉移特性：ID隨UGS變化的曲線，成為轉移特性。從下圖可以看到，隨著UGS的上升，跨導將越來越高。圖：MOSFET的轉移特性輸出特性（漏極特性）：VDS又段為飽和區(qū)，靠近橫軸附近為截止區(qū)，這點和圖：MOSFET的輸出特性VGS=0時的飽和電流稱為飽和漏電流IDSS。通態(tài)電阻通態(tài)電阻是器件的一個重要參數，決定了電路輸出電壓幅度和損耗。該參數隨溫度上升線性增加。而且VGS增加，通態(tài)電阻減小?？鐚В篗OSFET的增益特性稱為跨導。定義為：Gfs=ΔID/ΔVGS顯然，這個數值越大越好，它反映了管子的柵極控制能力。柵極閾值電壓是指開始有規(guī)定的漏極電流（1mA）時的最低柵極電壓。它具有負溫度系數，結溫每增加4510%。電容MOSFET的一個明顯特點是三個極間存在比較明顯的寄生電容，這些電容對開關速度有一定影響。偏置電壓高時，電容效應也加大，因此對高壓電子系統(tǒng)會有一定影響。有些資料給出柵極電荷特性圖，可以用于估算電容的影響。以柵源極為例，其特性如下：圖：柵極電荷特性 圖：正向偏置安全工作區(qū)正向偏置安全工作區(qū)及主要參數MOSFET和雙極型晶體管一樣，也有它的安全工作區(qū)。不同的是，它的安全工作區(qū)是由四根線圍成的。最大漏極電流IDM：這個參數反應了器件的電流驅動能力。最大漏源極電壓VDSM：它由器件的反向擊穿電壓決定。最大漏極功耗PDM：它由管子允許的溫升決定。漏源通態(tài)電阻Ron：這是MOSFET必須考慮的一個參數，通態(tài)電阻過高，會影響輸出效率，增加損耗。所以，要根據使用要求加以限制。四、絕緣柵雙極晶體管IGBT又叫絕緣柵雙極型晶體管。1、原理：該器件符號如下：圖：IGBT的圖形符號注意，它的三個電極分別為門極G、集電極C、發(fā)射極E。圖：IGBT的等效電路圖上面給出了該器件的等效電路圖。實際上，它相當于把MOSMOS優(yōu)點。2、特點：這種器件的特點是集MOSFET與GTR的優(yōu)點于一身。輸入阻抗高，速度快，熱穩(wěn)定性好。通態(tài)電壓低，耐壓高，電流大。它的電流密度比MOSFET大，芯片面積只有MOSFET的40%。但速度比MOSFET略低。大功率IGBT模塊達到1200-1800A/1800-3300V的水平（參考）。速度在中等電壓區(qū)域（370-600V），可達到150180KHz。3、參數與特性：MOSFET控制能力。圖的轉移特性 圖的輸出特性輸出特性它的三個區(qū)分別為：IcUCE飽和狀態(tài)。水平段：有源區(qū)。通態(tài)電壓所謂通態(tài)電壓，是指IGBT進入導通狀態(tài)的管壓降VDS，這個電壓隨VGS上升而下降。由上圖可以看到，IGBT通態(tài)電壓在電流比較大時，Von要小于MOSFET。MOSFET的Von為正溫度系數，IGBT小電流為負溫度系數，大電流范圍內為正溫度系數。圖通態(tài)電壓和MOSFET比較 圖的功耗特性開關損耗：常溫下，IGBT和MOSFET的關斷損耗差不多。MOSFET開關損耗與溫度關系不大，但IGBT每增加100度，損耗增加2倍。開通損耗IGBT平均比MOSFET略小，而且二者都對溫度比較敏感，且呈正溫度系數。兩種器件的開關損耗和電流相關，電流越大，損耗越高。安全工作區(qū)與主要參數ICM、UCEM、PCM：IGBT的安全工作區(qū)是由電流ICM、電壓UCEM、功耗PCM包圍的區(qū)域。最大集射極間電壓UCEM：取決于反向擊穿電壓的大小。最大集電極功耗PCM：取決于允許結溫。最大集電極電流ICM：則受元件擎住效應限制。所謂擎住效應問題：由于存在一個寄生的晶體管，當IC安全工作區(qū)隨著開關速度增加將減小。柵極偏置電壓與電阻di/dt明顯和柵極偏置電壓、電阻di/dt越小。而且，柵極電壓和短路損壞時間關系也很大，柵極偏置電壓越高，短路損壞時間越短。五、電阻定義和分類定義：導體對于電流的阻礙作用叫做該導體的電阻，它是導體本身的一種性質，通常用字母R表示，電阻的單位是歐姆，簡稱Ω。1、結構分類按照結構電阻可以分為固定電阻器、可變電阻器以及特種電阻器，他們具有不同的特性。1）固定電阻器：就是在常規(guī)條件下阻值不變電阻器。可變電阻器：也稱為可調電阻器，可以通過旋鈕或者其他物理方式改變阻值大小。特種電阻器：也稱為敏感電阻器，指的是壓敏電阻、熱敏電阻、光敏電阻等阻值對環(huán)境變化敏感的電阻器，適用于特殊的使用環(huán)境或是檢測設備中。下圖為光敏電阻2、外形分類除了常見的方形片狀貼片電阻和圓柱電阻，還有長條狀的集成電阻、管狀的繞線電阻。3、材料分類這里就有講究了，材料不同的電阻所對應的成本以及使用性能差異很大。下面主要對這五種類型的電阻進行分析：碳膜、金屬膜、金屬氧化膜、線繞電阻、SMT表貼電阻。1）碳膜Carbonfilmresistor：制作工藝：它是采用高溫真空鍍膜技術將碳緊密附在瓷棒表面形成碳膜，然后加適當接頭切割，并在其表面涂上環(huán)氧樹脂密封保護而成的。碳膜的厚度決定阻值的大小，通常用控制膜的厚度和刻槽來控制電阻器。特點：價格便宜，精度較低（±5%左右），穩(wěn)定性好，阻值和功率范圍也比較寬，屬于負溫度系數電阻（溫度升高，電阻減?。茫翰贿m用于高精度使用環(huán)境（運算放大器放大、DCDC電源分壓等等）金屬膜metalfilmresistor：制作工藝：它是采用高溫真空鍍膜技術將鎳鉻或類似的合金緊密附在瓷棒表面形成皮膜，加適當接頭切割，并在其表面涂上環(huán)氧樹脂密封保護而成。金屬膜電阻可以調整它的材料成分、膜層厚度、刻槽來調整阻值。特點：體積小，噪聲低，穩(wěn)定性好，經常作為精密和高穩(wěn)定性的電阻器使用。應用：用在絕大多數的家電、無線通訊設備、儀器儀表中，亦用于高精度要求下的軍事航天等領域，應用非常普遍。金屬氧化膜Metaloxidefilmresistor：制作工藝：它是采用特種金屬或合金作電阻材料，用真空蒸發(fā)或濺射的方法，在陶瓷或玻璃基本上形成氧化的電阻膜層的電阻器。金屬氧化膜電阻也可以調整它的材料成分、膜層厚度、刻槽來調整阻值。特點：耐熱性、噪聲電勢、溫度系數、電壓系數等電性能比碳膜電阻器優(yōu)良。應用：廣泛應用在電力自動化的控制設備中，可以很好的保證儀器長期在高溫環(huán)境中工作的安全性。線繞電阻：制作工藝：線繞電阻器是用電阻絲繞在絕緣骨架上構成的。電阻絲一般采用具有一定電阻率的鎳鉻、錳銅等合金制成。絕緣骨架是由間超負載能力強，阻值常年無變化；可以選用無感型繞制（磁性的材料和特殊繞制方法減少線繞電阻電感量，接近理想電路SMD表貼電阻：制作工藝：是金屬玻璃釉電阻器中的一種。是將金屬粉和玻璃釉粉混合，采用絲網印刷法印在基板上制成的電阻器。特點：耐潮濕和高溫，溫度系數小，抗干擾性能強，高頻特性好。可大大節(jié)約電路空間成本，使設計更精細化。廣泛應用于計算機、手機、電子辭典、醫(yī)療電子產品、攝錄機、電子電度表等設備中。4、用途分類材料的劃分是確定一個大方向上的電阻的選擇，而對于實際的應用環(huán)境應選擇不同類型的電阻，這種劃分更為細致，也是我們在進行選擇時候的一種重要的參考依據。下表分別說明其技術指標和推薦應用：電阻類型技術要求指標推薦應用或限制條件普通型阻值范圍：0-20M?；精度：±5%-±20%；用于要求一般；成本控制條件精密型功率范圍：<2W；穩(wěn)定性強；適用于精密放大電路以及等高要求電路功率型功率范圍：2W-200W；阻值范圍：0.15-1M?；精度±5%-±20%；繞線電阻為主，不適用于高頻；適用于大功率磁場惡劣的使用環(huán)境高壓型耐壓值范圍：1-100KV，max=35GV；功率范圍:0.5W-100W;阻值范圍用于高壓裝置高阻型阻值范圍：10M?-10^14?高頻型阻）電感量極小；阻值范圍：<1K?；功率范圍：max=100W；頻率10Mhz以上電路集成電阻多電阻集成在一起；體積小多用于小型化電子儀器中使用；做統(tǒng)一的上位電阻或阻抗匹配；六、電阻的電路模型上一章節(jié)講解了電阻的外部特性以及分類，這一章我們來看看電阻的內部特點，沒錯，就是它的電路模型是什么樣的。1、基本概念：單位為歐姆Ω（GeorgeOhm）。2、歐姆定律：根據歐姆定律，我們可以得到電阻的定義公式和決定公式，其中定義公式為電阻在電路中計算公式。決定公式是電阻被制造出來特性，與電阻的長度、橫截面積以及材料均有關系?？梢缘玫诫娮瓒x公式為：其中U為加在電阻兩端的電壓；I為通過電阻兩端的電流。而電阻的決定公式為：其中ρ為電阻的電阻率，由其本身材質決定；L表示為電阻的長度，S表示電阻的橫截面積；3、電阻高頻等效模型這一小節(jié)的內容才是我們在做高速設計中電阻應用的重點環(huán)節(jié)。剛才也有提到，繞線電阻由于引線電感過大導致不適合在高頻等效電路中應用，那么什么樣的電阻才適用在高頻電路呢？就是SMD貼片電阻，也是我們在高密度多層板設計中所用的電阻，這種電阻也分為薄膜電阻和厚膜電阻，這個我們會在后續(xù)內容中涉及到。不同于低頻的電阻只是單一R，下圖為電阻的高頻等效電路：其中兩邊的L為兩個金屬引腳的電感；電容Ca為電阻內部的寄生電容；Cb為兩個金屬引腳間的寄生電容（貼片電阻往往比較小，可忽略）。這里特別要注意封裝尺寸和內部寄生電容的關系，通常來說較小的SMD封裝的寄生參數也較小。這也是除了減小體積之外，手機中已經開始用0201以及01005這種封裝的電阻器件的一部分原因。七、電阻常規(guī)指標說完了電阻的內外表現形式，這里對應用的比較廣泛一些基本指標進行描述，主要是用于對電阻阻值、精度、功率、電壓等等選型中使用。這里的參數具體包括七種：阻值和精度、額定功率、額定電壓、溫度系數、非線性度、噪聲系數以及可靠性和失效特性。1、阻值和精度阻值的確定是存在一個標準的阻值表，這個組織表是美國電子工業(yè)協會定義了一個標準電阻值系統(tǒng)，并不是所有的電阻阻值都有，建議在進行電阻首先查閱一下這個表格，然后沒有的阻值使用兩個電阻拼一下即可。首先，我們經?？吹降腅系列對應的精度是這樣的：標稱系列E6E12E24E48E96E192精度±20%±10%±5%±2%±1%±0.5%其中不同E的值對應的精度不同，在這個精度下所擁有的阻值是不同的，對應阻值的公式為：下面拿E6舉例說明計算方法：步驟一：按照公式計算E6的公比為：步驟二：根據公比可以計算出基本數為1、1.5、2.2（1.5^2）、3.3、4.7、6.8。步驟三：根據得到的基本數，將基本系數×10^n（n為整數），即可得到具體的電阻數值。因為誤差比較大，所以E6對應的阻值比較少，誤差越小對應擁有的阻值就越多。這個也好理解，比如100Ω，E6誤差的話100Ω誤差范圍就是80~120Ω，弄個90Ω也沒多少意思，所以下一個電阻阻值直接就是150Ω了。讀數問題是個老問題，這里簡單介紹色環(huán)法和直接讀數方法（貼片）：色環(huán)法如下圖所示，上面4色環(huán)對應的為22×1=22度±5%（金色）。下面5色環(huán)對應470×0.1=47Ω，精度±1%。貼片電阻在實際使用過程以3位為主，大家很容易就能通過下面例子理解讀數方法。實際標注算法實際值100100=10*100=10*1=1010?181181=18*101=18*10=180180?272272=27*102=27*100=2.7K2.7K?333333=33*103=33*1000=33K33K?434434=43*104=43*10000=430K430K?565565=56*105=56*100000=5.6M5.6M?206206=20*106=20*1000000=20M20M?2、額定功率所謂電阻的額定功率，指的就是長期工作不損壞，并且能夠保證性能穩(wěn)定工作的最大功率。如果換算成顯卡那就是別超頻，否則就容易損毀或是壽命減少，這也是礦卡不推薦購買的主要原因。下圖很明顯就是電阻被燒壞的現象。遇到這種問題我們必須要采取措施，就四個字：“降額使用”，差不多60%就可以了。如下功率溫度曲線圖所示，當溫度超過70電阻的實際額定功率會急劇下降，因此，實際使用中應注意的降額標準為：當環(huán)境溫度70度以下時，降額為60%使用；當環(huán)境溫度超過70度時，按照圖中的實際工作溫度下額定功率等比例降額使用。此時的70度代指額定溫度。3、額定電壓同額定功率一樣，電阻的額定電壓指的是電阻在兩端所加電壓下能夠長時間工作不損壞電阻的電壓值，這里我找到一份超棒的降額表格，分享給大家，一圖頂千言。其中Pr為額定功率；T為實際工作溫度；Ts為額定環(huán)境溫度，也就是功率溫度曲線圖中的70對應最大工作溫度，對應功率溫度曲線圖中的150度的點；Pm為峰值脈沖功率；Ur是額定工作電壓；Um是峰值脈沖電壓。注意事項：[1]：電阻上存在不超過1s的脈沖負荷時要同時滿足瞬態(tài)降額要求。脈沖大于1s時仍然按照穩(wěn)態(tài)降額評估。[2]：電阻降額需要同時滿足功率、電壓和溫度的降額要求。4、溫度系數定義：電阻溫度系數（temperaturecoefficientresistance表示電阻當溫度改變1為ppm/℃。分類：負溫度系數、正溫度系數及在某一特定溫度下電阻值會發(fā)生突變的臨界溫度系數。為什么溫度會對電阻值造成影響？因為溫度影響電阻率的溫度系數，絕大多數金屬材料電阻率溫度系數約等于千分之四，比如常見的銀銅金鋁。少數類似康銅、錳銅材料電阻率溫度系數極小，可以被用來制造精密電阻元件（康銅絲做采樣電阻也是這個原因）。正溫度系數Coefficient），熱敏電阻就是這個原理，用來做自恢復保險絲限流保護電路，溫度升高，阻值增大。金屬為主要材料。負溫度系數Coefficient），用于測溫、控溫以及溫度補償等方面。金屬氧化物為主要材料，壽命是其重要性能指標。5、非線性度定義：電阻兩端的電壓與通過它的電流不是線性關系，稱為非線性電阻。如下圖所示，a為線性電阻，b、c均為非線性電阻。但是實際使用中即使是線性電阻也沒有如此理想化的線性關系，因為隨著電流增加，電阻溫度會升高，進而影響阻值大小。特性導致的。6、噪聲系數電路的固有噪聲包括熱噪聲和電流噪聲。熱噪聲主要是由于溫度引起，電阻通電發(fā)熱，內部的電流導子產生無規(guī)則的運動，使電流的定向流動產生起伏變化，進而形成了熱噪聲電流。熱噪聲具體可以表示為：其中R是電阻的固定阻值；T是絕對溫度；B為頻率帶寬；k是玻爾茲曼常數，約為1.38e^(-23)；熱噪聲作為電阻的本征噪聲，無法避免和消除，因此在信號檢測精度較高時，一定要選用高精密電阻器。過剩噪聲主要是材料問題，當電流在通過電阻時，電阻薄膜并不均勻，電流不能均勻的流經電阻的每一個區(qū)域，當某個區(qū)域較為密集時，就會產生過剩噪聲。也就是說：電阻的過剩噪聲同電阻阻值、流過電流以及電流強度相關。解決辦法：①進行電阻散熱設計，減少熱噪聲。②選用固有噪聲小的電阻材質。固有噪聲（前面的特性優(yōu)于后面的）：線繞、金屬氧化膜、金屬膜、碳膜、玻璃釉、合成膜、合成實心7、可靠性和失效特性電阻器是具有使用壽命的，而且在長時間使用過程中阻值也會發(fā)生變化，具體原因是無定型結構具有結晶化趨勢，通常認為溫度每增高10