電半導(dǎo)體裝置是現(xiàn)代電動(dòng)電子設(shè)備的基本成分,用于操縱高壓電流和電流,以及轉(zhuǎn)換和管理電力能源,這些裝置在電力電子應(yīng)用中至關(guān)重要,包括電力供應(yīng)、汽車驅(qū)動(dòng)器、可再生能源系統(tǒng)和電動(dòng)車輛。

本章探討動(dòng)力二極管、胸腔晶體管、雙極交接晶體管、金屬-氧化半導(dǎo)體外效晶體管和隔熱雙極晶體管的特性和使用。

Power Diode

Diode Basics

在電子應(yīng)用中,二極管發(fā)揮簡(jiǎn)單的開關(guān)功能,只允許電流向一個(gè)方向流動(dòng),電極二極管擁有更大的動(dòng)力、電壓和當(dāng)前處理能力,在電動(dòng)電子電路中廣泛使用,用于一系列目的,包括糾正、電壓調(diào)節(jié)和保護(hù)。

Diode Structure

二極是一種半導(dǎo)體裝置,由p型和n型半導(dǎo)體材料組合形成的p-n連接點(diǎn)組成,p型材料含有過多的孔或缺電,而n型材料含有過量的電子,這就將水流通過交叉點(diǎn)的流量限制在一個(gè)方向。二極的兩端是與p型一層相連的陽極和與n型層相連的陰極,如圖1所示。

耗竭區(qū)域是p型材料和n型材料之間的界面,沒有充電載體,在二極管的操作中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

Figure 1: Diode pn-junction

Figure 2: Diode Symbol

用于二極管的通用符號(hào)見圖2。

Diode Operation

二極管的運(yùn)行可以通過檢查p-n交叉口在不同電壓條件下的行為來理解。當(dāng)對(duì)陰極的陽極施以正電壓時(shí)(前向偏移),耗竭區(qū)域縮小,允許水流通過二極管。在前向偏移狀態(tài)下,二極管對(duì)當(dāng)前電流的阻力較小,允許電流以最小的電壓下降通過它。

相反,當(dāng)陰極陰極對(duì)陽極施以負(fù)電壓(逆向偏差)時(shí),耗竭區(qū)域會(huì)擴(kuò)大,有效地阻斷二極管的流流。

在逆向偏差狀態(tài)下,二極管對(duì)當(dāng)前流量的阻力非常大,只能讓(微量或毫升的)流出的電流微乎其微。然而,當(dāng)反向電壓超過二極管的分解電壓時(shí),二極管開始在反向方向進(jìn)行電流。如果電流沒有適當(dāng)限制,這可能會(huì)永久損害設(shè)備。有時(shí),某些應(yīng)用的要求要求更高的電壓和電流評(píng)級(jí),這可以通過一個(gè)單二極管來滿足。通過連接多個(gè)系列二極管,有可能提高電壓評(píng)級(jí)。同樣,為了提高當(dāng)前電壓,二極管可以平行連接。然而,必須選擇具有類似特性的二極管以避免對(duì)部署的二極管造成任何損害。

Diode Characteristics

了解二極管特性對(duì)工程動(dòng)力電子電路至關(guān)重要。

Forward Voltage Drop (Vf)

前方電壓下降(Vf)是指在前向偏移時(shí)(當(dāng)陽極與陰極相比具有更大的潛力時(shí))在確定的現(xiàn)有水平上橫跨二極管終端的電壓下降。在前向偏移時(shí),應(yīng)用的電壓必須克服p-n交叉口的內(nèi)在潛在屏障,以便流出電流。對(duì)于硅二極管而言,前向電壓下降通常在0.6V至0.7V之間,對(duì)于Shottky二極管,則在0.2V至0.3V之間。

Reverse Breakdown Voltage (Vbr)

反向分解電壓(Vbr)是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù),其特征是二極管在逆向偏差時(shí)可以承受的最大反向電壓(Vbr)的特性。 在反向偏差模式下,二極管只允許最小的流出,直到反向電壓達(dá)到逆向分解電壓,然后進(jìn)入分解區(qū)域,允許大量流流。

圖3說明了典型電極二極管的V-I特性。

Figure 3. V-I characteristics of diode

Other Diode Characteristics

其他特征包括:接合能力、溫度系數(shù)和反向恢復(fù)時(shí)間。

Figure 4. Diode reverse recovery characteristics

圖4描述了二極管的反向恢復(fù)特征,特別是反向恢復(fù)時(shí)間(trr),圖4說明了該二極管的反向恢復(fù)特征。

trr 是指二極管流零交叉與達(dá)到IR值之間的時(shí)間間隔, tb 是指最大反向恢復(fù)時(shí)間與IR值之間的時(shí)間間隔, tb 是指最大反向恢復(fù)時(shí)間與達(dá)到IR值約0.25之間的時(shí)間間隔。 時(shí)間常數(shù)ta 歸因于在連接點(diǎn)耗竭區(qū)儲(chǔ)存裝藥, tb 是散裝半導(dǎo)體材料中裝藥的儲(chǔ)存。 小型trr 是可取的, 特別是對(duì)于高頻應(yīng)用而言, 最好是接近零。 但是, 這可能導(dǎo)致制造成本的增加。 相比之下, 二極管的遠(yuǎn)端恢復(fù)時(shí)間的特點(diǎn)是開關(guān)時(shí)間, 也就是二極管開關(guān)和允許所有多數(shù)載體在從逆向偏向狀態(tài)向前傾斜后對(duì)流作出貢獻(xiàn)所需的時(shí)間。

Diode Types

電極二極管可根據(jù)其反向恢復(fù)時(shí)間和制造技術(shù)分為三大類,即:

普通用途二極體:這些類型的二極管通常具有高反向恢復(fù)時(shí)間,通常在幾十微秒的范圍內(nèi),例如25微秒。它們適用于低頻應(yīng)用,例如分解器和輸入頻率低的轉(zhuǎn)換器。這些二極管的電壓等級(jí)通常從50V到大約5kV不等。此外,目前的等級(jí)通常從不到1A到數(shù)千安培。

快速恢復(fù)二極極:這類二極管的反向恢復(fù)時(shí)間通常小于5微米,因此適合用于DC-DC和DC-AC轉(zhuǎn)換器電路,因?yàn)榛謴?fù)時(shí)間是一個(gè)關(guān)鍵因素。這些二極管的電壓范圍一般在50V至大約3千伏之間,而目前的電壓范圍通常從不到1A到數(shù)千安培。

沙特基二極極:Schottky二極管的遠(yuǎn)方電壓下降幅度較低,從0.15-0.45伏到大約10毫秒的短反向恢復(fù)時(shí)間。二極管中僅有連接器的電能下降是反向恢復(fù)時(shí)間低的原因。然而,Schottky二極管有諸如低反向電壓等級(jí)和增加滲漏流等限制。這種二極管的最大允許電壓通常限于100伏,目前的電壓等級(jí)從1到400伏不等。Schottky二極管適合高流和低電壓的DC電力供應(yīng)以及低流電源,以提高效率。

Diode Applications

電路中的二極管由于其在單一方向上進(jìn)行電流的能力,在電子電路中具有廣泛的用途。

Rectification

電路中通常使用二極管,將AC輸入轉(zhuǎn)換成DC輸出。這一過程涉及防止當(dāng)前流向一個(gè)方向,只允許AC波形的一半或整個(gè)周期通過。

半波

全波校正

在半波校正中,一個(gè)單二極管區(qū)塊,可以是AC波形正或負(fù)半,導(dǎo)致以相當(dāng)于輸入AC信號(hào)頻率的頻率向DC輸出脈沖,反之,全波校正使用由四個(gè)二極管組成的二極管橋,在特定配置中進(jìn)行排列,以糾正AC波形的兩半。這導(dǎo)致以輸入AC波形信號(hào)的兩倍頻率向DC輸出脈沖,這是一個(gè)效率更高的過程,比半波校正產(chǎn)生較低的波紋含量。因此,全波校正是各種應(yīng)用,包括電源、充電器和DC發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的更合適的選擇。

Clipping and Clamping

在半波校正中,一個(gè)單二極管區(qū)塊,可以是AC波形正或負(fù)半,導(dǎo)致以相當(dāng)于輸入AC信號(hào)頻率的頻率向DC輸出脈沖,反之,全波校正使用由四個(gè)二極管組成的二極管橋,在特定配置中進(jìn)行排列,以糾正AC波形的兩半。這導(dǎo)致以輸入AC波形信號(hào)的兩倍頻率向DC輸出脈沖,這是一個(gè)效率更高的過程,比半波校正產(chǎn)生較低的波紋含量。因此,全波校正是各種應(yīng)用,包括電源、充電器和DC發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的更合適的選擇。

Other applications

二極管具有作為電壓乘數(shù)的功能,其安排可導(dǎo)致空調(diào)信號(hào)翻番、三倍或四倍,此外,電轉(zhuǎn)換器、電控器和電路也使用二極管來進(jìn)行保護(hù)。

Thyristor

Thyristor Basics

通常被稱為硅控制的整治器(SCR)的胸肌體是一種半導(dǎo)體裝置,具有獨(dú)特的特性,因此非常適合各種電動(dòng)電子應(yīng)用。

Thyristor Structure

切口器是一種半導(dǎo)體裝置,它有3個(gè)終端和4個(gè)交替層的p型和n型材料,以p-n-p-n-n配置安排。在設(shè)備內(nèi),它產(chǎn)生3個(gè)PN交叉點(diǎn)(J1、J2和J3),三個(gè)終端是陽極、陰極和門,每個(gè)端點(diǎn)都與設(shè)備的一個(gè)層相連。陽極應(yīng)該連接到最外端的p型層、陰極與最外端的n型層,以及通往內(nèi)端p型層的大門。圖5中說明了你胸口的p-n交叉點(diǎn),圖6則描述了你胸口常用的符號(hào)。

Figure 5. Thyristor p-n junctions

Figure 6. Thyristor symbol

Thyristor Operation

通過分析3個(gè) PN 路口在不同的電壓條件下的電流作用,可以理解該胸口的功能。當(dāng)對(duì)陰極的電路使用正電壓時(shí),J1和J3 路口會(huì)變成前向方向,而J2 路口會(huì)變成反向方向。在這種狀態(tài)下,胸口不會(huì)發(fā)生電流,而是保持在關(guān)閉狀態(tài)或阻塞狀態(tài)中。通過將3個(gè) PN 路口的電流應(yīng)用電壓提升到高值,使J2 路口的反向偏向方向斷開,使J2 路口的電路口在被稱為電流崩潰的過程中斷開。然而,這種方法對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)器有害,安全地打開胸口,在J2 路口的大門和陰道之間會(huì)發(fā)生正向反向反向方向的電流。由于洞洞和電路口的行為,門的脈沖會(huì)讓少數(shù)運(yùn)貨進(jìn)入逆向方向的電路口點(diǎn),使更低的電流區(qū)域保持中位,使電流流通過電流流流流向下流流流流流流流流流流。 將電流保持下去的電流流, 將電流流流流流流流壓到電壓到電壓到電壓到電壓到電流, 。

Thyristor Properties

這些特征包括能夠阻擋高電壓、高電流和低導(dǎo)電損失,使其適合高功率應(yīng)用。 另外,與其它電動(dòng)電子設(shè)備相比,以其高度可靠、耐久和成本效益而聞名。

Thyristor Characteristics

圖7展示了始祖的V-I特征。

Figure 7. Thyristor V-I characteristics

Forward Breaking Voltage (VBO)

遠(yuǎn)方分解電壓是指J2交界點(diǎn)開始進(jìn)行或發(fā)生雪崩分解的電壓水平,而不需要在陽極和陰極之間應(yīng)用門信號(hào)。

Latching Current (IL)

確定拉鏈電流對(duì)于使用深水體的電路設(shè)計(jì)至關(guān)重要。 這個(gè)參數(shù)保證在拆除大門信號(hào)后,立即在預(yù)定操作條件下將深水體保持在預(yù)定操作條件下的狀態(tài)。 不考慮適當(dāng)?shù)睦滊娏骺赡軐?dǎo)致不可靠的轉(zhuǎn)彎,導(dǎo)致不優(yōu)化的性能或故障。 相反,一個(gè)低拉鏈電流的深水體可能由于噪音或瞬時(shí)的流紋而發(fā)生意外操作。

Holding Current (IH)

持有電流是最小的動(dòng)畫流, 使你的內(nèi)衣人可以將它調(diào)離, 并恢復(fù)到它的阻塞狀態(tài)。 一旦你的內(nèi)衣人處于On狀態(tài), 動(dòng)畫流會(huì)降到低于持有電流的下面, 您的內(nèi)衣人就會(huì)關(guān)掉, 直到再次打開時(shí)針。 持有電流是設(shè)計(jì)基于你的內(nèi)衣的電路的關(guān)鍵參數(shù), 因?yàn)樗兄诖_保穩(wěn)定的操作, 防止你的內(nèi)衣人在正常操作期間無意地關(guān)閉 。

Turn-on Time (ton)

開關(guān)時(shí)間( ton) 是應(yīng)用門脈沖后, 內(nèi)衣人用電所需的時(shí)間。 具體地說, 內(nèi)衣人的定義是穩(wěn)定狀態(tài)門的電流達(dá)到10%( 0.1IG) 的點(diǎn)與內(nèi)衣人的電流達(dá)到90%( 0.9IT) 的點(diǎn)之間的時(shí)間。 內(nèi)衣人可以計(jì)算為延遲時(shí)間( td) 和上升時(shí)間( tr) 的總和, 內(nèi)衣人的時(shí)間是10%的門流( 0.1IG) 和10%的內(nèi)衣人的電流( 0.1IT) 之間的時(shí)間。 上升時(shí)間( tr) 是陰道從現(xiàn)有電流的10%( 0.1IT) 增加到90%的內(nèi)衣人( 0.9IT) 所需的時(shí)間。

Thyristor Types

不同種類的洗禮者的存在基于獨(dú)特的特征,這些特征使他們有別于基本階段控制的洗禮者,又稱SCR。

Bidirectional Phase-Controlled

眼球(BCT)將兩個(gè)抗平行的胸腔運(yùn)動(dòng)者(BCT)的好處合并成一個(gè)單一的包件,從而形成了一個(gè)緊湊的設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)化的冷卻系統(tǒng)和更高的可靠性。 BCT擁有兩個(gè)控制前向和逆向電流的大門,并且通常用于諸如伏打膜反應(yīng)(VAR)補(bǔ)償器、靜電開關(guān)和發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器等應(yīng)用。

Bidirectional Triode Thyristors

雙向三極切入器也稱為TRIACs,由兩根抗平行切入器組成,特別是,這一雙向裝置共用大門連接,這些部件經(jīng)常用于AC級(jí)控制電路。

Gate Turn-off Thyristors (GTOs)

GTO,或Gate turn-On-Thiristor,可以用像SCR那樣的正門信號(hào)激活。然而,GTO的獨(dú)特方面是,它們可以用負(fù)門信號(hào)解除作用。 GTO的啟動(dòng)過程比SCR要不可靠,即使激活后必須保持一小塊正門電流以取得最佳性能。 GTO用于高功率的反轉(zhuǎn)器和變速驅(qū)動(dòng)器。

Other Thyristor types

此外,還有其他的改變,如光活硅控制矯正器(LASCRs),某些晶體體體結(jié)合了外效晶體管(FETs)和金屬-氧化半導(dǎo)體外效晶體管(MOSFETs),如FET控制的胸型晶體管(FET-CTHs)和MOS的切入式胸型晶體管(MOTOs)。

Thyristor Applications

寺廟用于幾種電器用途,包括:

AC power control: regulating power in heating, lighting, and motor control systems.

在AC電源控制應(yīng)用程序中,神靈是常用的組成部分,因?yàn)樗鼈冇心芰τ行Ч芾泶罅侩娏Α?/p>

在供暖系統(tǒng)中,通過控制用于抵抗供暖元素的動(dòng)力,可以使用水溫調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)溫度。 通過操縱水溫元件的射擊角度,可以調(diào)節(jié)供暖元件的動(dòng)力,從而保持理想的溫度。

在照明系統(tǒng)中,它們用于調(diào)節(jié)燈具的亮度,例如白種燈或鹵素?zé)襞?辦法是控制燈具的電源,這種控制方法稱為階段控制稀釋。

在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中,胸腺運(yùn)動(dòng)器被用來調(diào)節(jié)感官或同步運(yùn)動(dòng)等空調(diào)運(yùn)動(dòng)的速度和節(jié)奏,以胸腺運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)為主的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可以通過調(diào)整對(duì)運(yùn)動(dòng)的電壓和頻率來精確管理發(fā)動(dòng)機(jī)的速度和節(jié)奏。

Phase-controlled rectifiers: Converting AC to DC in high-power applications

級(jí)控整流器是使用胸腔將高功率AC功率轉(zhuǎn)換成DC功率的電子電路。 與傳統(tǒng)的二極管整流器相比, 級(jí)控整流器可以對(duì)輸出電壓、 提高效率和減少調(diào)和扭曲提供更優(yōu)越的控制。 級(jí)控整流器中的胸腔整流器在AC輸入波形的每個(gè)半個(gè)周期以一個(gè)特定階段角度觸發(fā), 允許通過控制點(diǎn)火角度將DC輸出電壓調(diào)整到理想水平。 這個(gè)功能使級(jí)控整流器特別適合于需要電動(dòng)車輛充電器、電池充電系統(tǒng)和高壓DC傳輸系統(tǒng)等可變的DC電壓的應(yīng)用。

Inverters: Converting DC to AC for motor drives and renewable energy systems

各種應(yīng)用,包括機(jī)動(dòng)車驅(qū)動(dòng)器和可再生能源系統(tǒng),通常都使用基于內(nèi)心的逆向轉(zhuǎn)換器,將DC電力轉(zhuǎn)換成AC電力。

在發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器中,反轉(zhuǎn)器產(chǎn)生可調(diào)整的頻率和電壓AC輸出,以調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的速度和托盤,由于它們有能力處理大量電力,因此在工業(yè)驅(qū)動(dòng)器和車動(dòng)牽引系統(tǒng)等高功率應(yīng)用中經(jīng)常使用基于胸腔的反轉(zhuǎn)器。

在太陽能和風(fēng)能裝置等可再生能源系統(tǒng)中,發(fā)電通常為DC, 后者必須轉(zhuǎn)換成AC, 使用反轉(zhuǎn)器將其納入電網(wǎng)或電源AC載荷,在這些系統(tǒng)中可以使用以Tyristor為基礎(chǔ)的反轉(zhuǎn)器來產(chǎn)生與電網(wǎng)兼容的AC, 低調(diào)扭曲和更高的效率。

Power Bipolar Junction Transistors (BJTs)

兩極交叉晶體管(BJTs)在電子領(lǐng)域應(yīng)用的歷史多種多樣,范圍很廣,用于多種放大應(yīng)用和轉(zhuǎn)換機(jī)制,在有動(dòng)力的電子領(lǐng)域,要求BJTs處理高功率、電壓和當(dāng)前評(píng)級(jí)的能力,低開關(guān)/關(guān)閉時(shí)間,低電壓下降,阻塞模式中最小的滲漏,主要用于電動(dòng)電子轉(zhuǎn)換。

BJT Structure

雙極交接晶體管(BJT)是一種半導(dǎo)體裝置,由三層和三個(gè)終端組成,具有交替式的p型和n型兩層。三個(gè)終端是發(fā)射機(jī)、基地和收集機(jī)。有兩種BJT類型:NPN和PNP,按其層的排列而區(qū)別。在NPN BJT中,發(fā)射機(jī)和收集機(jī)由n型材料制成,而基底由p型材料制成。相反,在PNP BJT中,發(fā)射機(jī)和收集機(jī)由p型材料制成,基底由n型材料制成。BJT有兩個(gè)交叉點(diǎn):一個(gè)收集器-基準(zhǔn)連接點(diǎn)(CBJ)和一個(gè)基點(diǎn)-發(fā)射接頭(BEJ)。

Figure 8. NPN Transistor structure and symbol

Figure 9. PNP Transistor structure and symbol

BJT Operation and Characteristics

圖8描述了NPN BJT的V-I特性,其中基流(IB)是用基離子電壓(VBE)繪圖的,NPN BJT的輸出V-I特性在圖9中說明,收集器電流(IC)是用收集器離子電壓(VCE)繪圖的,對(duì)PNP BJT來說,曲線的極值是倒轉(zhuǎn)的。

Figure 10. NPN BJT input V-I characteristics

Figure 11. NPN BJT output V-I characteristics

兩極交界晶體管(BJTs)顯示出三種不同的操作模式,即截?cái)?、主?dòng)和飽和,這取決于交叉路口的偏向性條件。

在截?cái)嗄Ｊ较?收集器-基地交叉路口(CBJ)和基地發(fā)射器交叉路口(BEJ)都反向偏向,導(dǎo)致BJT關(guān)閉。

在活動(dòng)模式中,BEJ具有前向偏向,而CBJ則具有反向偏向,導(dǎo)致BJT發(fā)揮放大器的作用,基流擴(kuò)大,集水器電壓隨著基流增加而下降。

在飽和模式下,BEJ和CBJ都具有前向偏向性,導(dǎo)致BJT作為封閉開關(guān),基流足夠高,以致收集器-發(fā)射電壓較低。

Figure 12. BJT transfer characteristics

在BJT設(shè)計(jì)中,切換特性具有重大意義。在瞬時(shí)切換條件中,BJT的功能在影響晶體管的開關(guān)和開關(guān)時(shí)間方面起著關(guān)鍵作用。BJT的內(nèi)部功能在應(yīng)用基電壓時(shí)造成晶體管的即時(shí)開關(guān)延遲。這一延遲時(shí)間取決于BEJ由于其能力而成為前向點(diǎn)所需的時(shí)間,而上升時(shí)間則取決于收藏器流達(dá)到其穩(wěn)定狀態(tài)值所需的時(shí)間。同樣,轉(zhuǎn)接時(shí)間由反向偏斜的BEJ能力決定。這些因素至關(guān)重要,因?yàn)樗鼈儧Q定了切換損失。為了確保最佳操作,BJT應(yīng)以適當(dāng)?shù)?a target="_blank">驅(qū)動(dòng)電路和充足基流進(jìn)行操作,以便利快速開關(guān)。此外,必須保持雙極交接式晶體管(BJTs)適當(dāng)?shù)仫柡?以盡量減少行為損失。

BJTs Applications

BJT經(jīng)常用于多種電力電子應(yīng)用,包括:

Flyback Converters

Flyback 轉(zhuǎn)換器是用于電力轉(zhuǎn)換的裝置,它既能促進(jìn)AC轉(zhuǎn)換到DC,又能促進(jìn)DC轉(zhuǎn)換到DC,同時(shí)能提供輸入和輸出之間的變速器隔離。這些轉(zhuǎn)換器所使用的分離導(dǎo)引器形成了一個(gè)能夠提供必要的分離的變壓器。在功能上,飛背轉(zhuǎn)換器與壓強(qiáng)轉(zhuǎn)換器相似,但它賦予了分離的額外好處。

Chopper Drives:

直升機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以在DC馬達(dá)和固定電壓的DC輸入器之間連接,以改變臂電壓。通過控制BJTs的轉(zhuǎn)換,可以改變工作周期,從而調(diào)節(jié)馬達(dá)的電流和速度。DC型直升機(jī)也可以用來利用發(fā)動(dòng)機(jī)的再生制動(dòng),讓電源恢復(fù)能量。這使得它們成為現(xiàn)代運(yùn)輸系統(tǒng)的一個(gè)有吸引力的選擇。

Other Applications:

BJT還用于交換式模式電源、反轉(zhuǎn)器、諸如前置轉(zhuǎn)換器等各種轉(zhuǎn)換器和音頻裝置。

Power 半導(dǎo)體裝置 - MOSFETs, IGBTs

責(zé)任編輯：彭菁