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標(biāo)簽 > 功率器件
功率器件,就是輸出功率比較大的電子元器件,像大音響系統(tǒng)中的輸出級功放中的電子元件都屬于功率器件,還有電磁爐中的IGBT也是。本章詳細(xì)介紹了:功率器件定義,功率器件龍頭企業(yè),最新功率器件,分立器件與功率器件,功率器件測試,功率半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)。
功率器件,就是輸出功率比較大的電子元器件,像大音響系統(tǒng)中的輸出級功放中的電子元件都屬于功率器件,還有電磁爐中的IGBT也是。功率器件有:如大功率晶體管,晶閘管,雙向晶閘管,GTO,MOSFET,IGBT. IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),絕緣柵雙極型晶體管,是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低,載流密度大,但驅(qū)動(dòng)電流較大;MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小,開關(guān)速度快,但導(dǎo)通壓降大,載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn),驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。
功率器件,就是輸出功率比較大的電子元器件,像大音響系統(tǒng)中的輸出級功放中的電子元件都屬于功率器件,還有電磁爐中的IGBT也是。功率器件有:如大功率晶體管,晶閘管,雙向晶閘管,GTO,MOSFET,IGBT. IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),絕緣柵雙極型晶體管,是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低,載流密度大,但驅(qū)動(dòng)電流較大;MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小,開關(guān)速度快,但導(dǎo)通壓降大,載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn),驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。
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常見的功率器件
隨著半導(dǎo)體功率開關(guān)器件的發(fā)展與改進(jìn),降低了對電壓、電流、功率以及頻率進(jìn)行控制的成本。同時(shí),隨著集成電路、微處理器及超大規(guī)模集成電路(VLSI)在控制電路里的使用,大大提高了其控制的精度。一些常見的功率器件,如電力二極管、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)和絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)及它們的符號和容量描述如下。本文暫不涉及它們的物理和工作特性等細(xì)節(jié)問題,有興趣的朋友可以參考其他資料。
電力二極管
電力二極管是具有兩個(gè)端子的PN結(jié)器件。當(dāng)陽極電勢與陰極電勢之差大于器件通態(tài)壓降時(shí),即器件處于正向偏置時(shí),器件導(dǎo)通并傳導(dǎo)電流。器件的通態(tài)壓降一般為0.7V。當(dāng)器件反向偏置時(shí),如陽極電勢小于陰極電勢的情況,器件關(guān)斷并進(jìn)入阻態(tài)。在關(guān)斷模式下,流經(jīng)二極管的電流波形如圖1所示,電流先降為零并且繼續(xù)下降,隨后上升回到零值。
反向電流的存在是因?yàn)榉聪蚱脤?dǎo)致器件中出現(xiàn)了反向恢復(fù)電荷。器件恢復(fù)阻斷能力的最小時(shí)間為;二極管的反向恢復(fù)電荷為,即圖示存在反向電流流動(dòng)的區(qū)域。二極管自身除正向?qū)▔航低?,并不存在正向電壓阻斷能力。使?dǎo)通二極管關(guān)斷的唯一方式是施加反向偏置,如在陽極和陰極兩端加負(fù)電壓。需要注意的是,與其它器件不同,二極管不受低電壓信號控制。
反向恢復(fù)時(shí)間在幾微秒到十幾微秒之間的二極管被歸為低開關(guān)頻率器件。它們主要應(yīng)用在開關(guān)時(shí)間同通態(tài)時(shí)間相比可以忽略的場合,其中開關(guān)時(shí)間包括導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間兩部分。因此,這類二極管通常作為整流器用以將交流電整流為直流電,這樣的二極管被稱為電力二極管。電力二極管可以承受上千安培的電流和幾千伏的電壓,并且它們的開關(guān)頻率通常限制為市電的工頻頻率。
對于需要快速開關(guān)的應(yīng)用場合,首選快恢復(fù)二極管。這類二極管的反向恢復(fù)時(shí)間僅需幾納秒,可承受幾百安培電流和幾百伏電壓,但其通態(tài)壓降為2-3V??旎謴?fù)二極管常見于電壓超過60-100V的快速開關(guān)整流器及逆變器中。而在低于60-100V的低電壓開關(guān)應(yīng)用中,可以使用肖特基二極管,其通態(tài)壓降為0.3V,因此,同電力二極管和快恢復(fù)二極管相比,肖特基二極管在電能轉(zhuǎn)換上的效率更高。
MOSFET
該器件是一類只需低電壓即可控制開通、關(guān)斷的場效應(yīng)晶體管,并具有30kHz到1MHz范圍的更高開關(guān)頻率。器件的容量多設(shè)計(jì)為100-200V時(shí),可承受100A的電流;在1000V時(shí),可承受10A的電流。這類器件在通態(tài)時(shí)的行為類似于電阻,因此可用作電流傳感器,從而在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中減少一個(gè)分立的電流傳感器,比如霍爾效應(yīng)電流傳感器,進(jìn)而節(jié)省了成本并增強(qiáng)了電子封裝的緊湊性。MOSFET總是伴隨著一個(gè)反并聯(lián)的體二極管,該二極管有時(shí)也被稱作寄生二極管。體二極管并非超快速開關(guān)器件并且具有更高的電壓降。由于體二極管的緣故,MOSFET并沒有反向電壓阻斷能力。圖2為N溝道MOSFET器件的符號及其在不同柵源電壓下,漏電流與漏源電壓之間的特性曲線,通常柵源電壓值不會超過20V。為了減少開關(guān)噪聲的影響,在實(shí)際情況下,一般傾向于在柵源極間施加一個(gè)-5V左右的反向偏置電壓,這樣,為保證使器件導(dǎo)通,噪聲電壓必須大于閥值門控電壓和負(fù)偏置電壓之和。在低成本的驅(qū)動(dòng)控制中,沒有條件為反向偏置門電路增加一路負(fù)邏輯電源,但許多工業(yè)驅(qū)動(dòng)器卻需要這樣的保護(hù)電路。
門控電壓信號以源極作為參考電位。該信號由微處理器或者數(shù)字信號處理器產(chǎn)生。一般來說,處理器不太可能具備直接驅(qū)動(dòng)門極所需的電壓和電流容量。因此,在處理器的輸出及門極輸入之間需要加入電平轉(zhuǎn)換電路,使控制信號在器件導(dǎo)通瞬間具有5-15V的輸出電壓,同時(shí)具有大電流驅(qū)動(dòng)能力(長達(dá)幾毫秒,根據(jù)不同應(yīng)用有所不同),這也被稱為門極驅(qū)動(dòng)放大電路。由于各輸入邏輯電平信號由共同的電源供電,而各門極驅(qū)動(dòng)電路連接著不同的MOSFET源極,各源極電平可能處于不同狀態(tài),所以,門極驅(qū)動(dòng)放大電路同輸入邏輯電平信號之間是相互隔離的。為了產(chǎn)生隔離作用,在低電壓(《300V)時(shí),采用單芯片光耦隔離;在小于1000V時(shí),采用帶有高頻變壓器連接的DC-DC變換電路隔離;或者在高壓(》1000V)時(shí);采用光纖連接進(jìn)行隔離。針對不同電壓等級的各種隔離方法在實(shí)際應(yīng)用中或有體現(xiàn)。
在門極驅(qū)動(dòng)電路中,通常集成了過流、過壓及低壓保護(hù)電路。通過檢測MOSFET的漏源壓降可以獲知電流,而通過檢測變換器電路的直流輸入電壓可以提供電壓保護(hù)。這些都可以通過成本便宜的電阻進(jìn)行檢測。典型的門極驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。在很多門極驅(qū)動(dòng)電路中,通過在門極信號放大電路前加入與電路,可將電流和電壓保護(hù)信號整合到門極輸入信號中。在這種情況下,需要更加注意保證的是,與電路和放大電路之間信號的延時(shí)必須非常小,以使得延時(shí)不會影響瞬間保護(hù)。目前已有單芯片封裝形式的門極驅(qū)動(dòng)電路,這些芯片經(jīng)常在低電壓(《350V)變換器電路場合中使用。對于其它電壓等級,門極驅(qū)動(dòng)電路幾乎都是針對某種電路特性的特殊應(yīng)用定制開發(fā)的。
圖3 柵控驅(qū)動(dòng)電路原理圖
絕緣柵雙極型晶體管
這是一類三端器件。該器件具有同MOSFET一樣理想的門控特性,并具有類似晶體管的反向電壓阻斷能力和導(dǎo)通特性,其符號如圖4。在5V的通態(tài)壓降下,目前這類器件的容量在電壓為3.3kV時(shí),電流可以達(dá)到1.2kA;而在6.6kV時(shí)為0.6kA。并且在更小的電壓時(shí)獲得更大的電流及更小的導(dǎo)通壓降也是可行的。預(yù)測在不遠(yuǎn)的將來,將研制出最大電流(1kA)和電壓(15kV)等級的增強(qiáng)型商用器件。該器件的開關(guān)頻率往往集中在20kHz。但在大功率應(yīng)用場合,出于減少開關(guān)損耗及電磁干擾等方面的考慮,往往降低其開關(guān)頻率使用。
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