常见电子元器件介绍

常见电子元器件介绍常见电子元器件介绍 第一部分：功率电子器件第一部分：功率电子器件 第一节：功率电子器件及其应用要求第一节：功率电子器件及其应用要求 功率电子器件大量被应用于电源、伺服驱动、变频器、电机保护器等功率电子设备。 这些设备都是自动化系统中必不可少的，因此，我们了解它们是必要的。 近年来，随着应用日益高速发展的需求，推动了功率电子器件的制造工艺的研究和 发展，功率电子器件有了飞跃性的进步。器件的类型朝多元化发展，性能也越来越改善。 大致来讲，功率器件的发展，体现在如下方面： 1器件能够快速恢复，以满足越来越高的速度需要。以开关电源为例，采用双极型 晶体管时，速度可以到几十千赫；使用 MOSFET 和 IGBT，可以到几百千赫；而采用 了谐振技术的开关电源，则可以达到兆赫以上。 2通态压降（正向压降）降低。这可以减少器件损耗，有利于提高速度，减小器件 体积。 3电流控制能力增大。电流能力的增大和速度的提高是一对矛盾，目前最大电流控 制能力，特别是在电力设备方面，还没有器件能完全替代可控硅。 4额定电压：耐压高。耐压和电流都是体现驱动能力的重要参数，特别对电力系统， 这显得非常重要。 5温度与功耗。这是一个综合性的参数，它制约了电流能力、开关速度等能力的提 高。目前有两个方向解决这个问题，一是继续提高功率器件的品质，二是改进控 制技术来降低器件功耗，比如谐振式开关电源。 总体来讲，从耐压、电流能力看，可控硅目前仍然是最高的，在某些特定场合，仍 然要使用大电流、高耐压的可控硅。但一般的工业自动化场合，功率电子器件已越来越 多地使用 MOSFET 和 IGBT，特别是 IGBT 获得了更多的使用，开始全面取代可控硅来做为 新型的功率控制器件。 第二节：功率电子器件概览第二节：功率电子器件概览 一整流二极管： 二极管是功率电子系统中不可或缺的器件，用于整流、续流等。目前比较多地使用 如下三种选择： 1 高效快速恢复二极管。压降 0.8-1.2V，适合小功率，12V 左右电源。 2 高效超快速二极管。0.8-1.2V，适合小功率，12V 左右电源。 3 肖特基势垒整流二极管 SBD。0.4V，适合 5V 等低压电源。缺点是其电阻和耐压 的平方成正比，所以耐压低（200V 以下），反向漏电流较大，易热击穿。但速 度比较快，通态压降低。 目前 SBD 的研究前沿，已经超过 1 万伏。 二大功率晶体管 GTR 分为： 单管形式。电流系数：10-30。 双管形式达林顿管。电流倍数： 100-1000。饱和压降大，速度慢。下图虚线部 分即是达林顿管。 1 图 1-1：达林顿管应用 实际比较常用的是达林顿模块，它把 GTR、续流二极管、辅助电路做到 一个模块内。 在较早期的功率电子设备中， 比较多地使用了这种器件。 图 1-2 是这种器件的内部典型结构。 图 1-2：达林顿模块电路典型结构 两个二极管左侧是加速二极管，右侧为续流二极管。加速二极管的原理是引进了电 流串联正反馈，达到加速的目的。 这种器件的制造水平是 1800V/800A/2KHz、600V/3A/100KHz 左右（参考）。 三可控硅 SCR 可控硅在大电流、高耐压场合还是必须的，但在常规工业控制的低压、中小电流控 制中，已逐步被新型器件取代。 目前的研制水平在 12KV/8000A 左右（参考）。 由于可控硅换流电路复杂， 逐步开发了门极关断晶闸管 GTO。 制造水平达到 8KV/8KA， 频率为 1KHz 左右。 无论是 SCR 还是 GTO，控制电路都过于复杂，特别是需要庞大的吸收电路。而且， 速度低，因此限制了它的应用范围拓宽。 集成门极换流晶闸管 IGCT 和 MOS 关断晶闸管之类的器件在控制门极前使用了 MOS 栅，从而达到硬关断能力。 四功率 MOSFET 又叫功率场效应管或者功率场控晶体管。 其特点是驱动功率小，速度高，安全工作区宽。但高压时，导通电阻与电压的平方 成正比，因而提高耐压和降低高压阻抗困难。 适合低压 100V 以下，是比较理想的器件。 目前的研制水平在 1000V/65A 左右（参考）。商业化的产品达到 60V/200A/2MHz、 500V/50A/100KHz。是目前速度最快的功率器件。 五IGBT 又叫绝缘栅双极型晶体管。 这种器件的特点是集 MOSFET 与 GTR 的优点于一身。输入阻抗高，速度快，热稳定性 好。通态电压低，耐压高，电流大。 目前这种器件的两个方向：一是朝大功率，二是朝高速度发展。大功率 IGBT 模块达 到 1200-1800A/1800-3300V 的水平（参考）。速度在中等电压区域（370-600V），可达 到 150-180KHz。 它的电流密度比 MOSFET 大，芯片面积只有 MOSFET 的 40%。但速度比 MOSFET 低。 2 尽管电力电子器件发展过程远比我们现在描述的复杂，但是 MOSFET 和 IGBT，特别 是 IGBT 已经成为现代功率电子器件的主流。因此，我们下面的重点也是这两种器件。 第三节：功率场效应管第三节：功率场效应管 MOSFETMOSFET 功率场效应管又叫功率场控晶体管。 一原理： 半导体结构分析略。本讲义附加了相关资料，供感兴趣的同事可以查阅。 实际上，功率场效应管也分结型、绝缘栅型。但通常指后者中的 MOS 管，即 MOSFET （Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。 它又分为 N 沟道、P 沟道两种。器件符号如下： N 沟道P 沟道 图 1-3：MOSFET 的图形符号 MOS 器件的电极分别为栅极 G、漏极 D、源极 S。 和普通 MOS 管一样，它也有： 耗尽型：栅极电压为零时，即存在导电沟道。无论 VGS正负都起控制作用。 增强型：需要正偏置栅极电压，才生成导电沟道。达到饱和前，VGS正偏越大，IDS 越大。 一般使用的功率 MOSFET 多数是 N 沟道增强型。而且不同于一般小功率 MOS 管的横 向导电结构，使用了垂直导电结构，从而提高了耐压、电流能力，因此又叫 VMOSFET。 二特点： 这种器件的特点是输入绝缘电阻大（1 万兆欧以上），栅极电流基本为零。 驱动功率小，速度高，安全工作区宽。但高压时，导通电阻与电压的平方成正比， 因而提高耐压和降低高压阻抗困难。 适合低压 100V 以下，是比较理想的器件。 目前的研制水平在 1000V/65A 左右（参考）。 其速度可以达到几百 KHz，使用谐振技术可以达到兆级。 三参数与器件特性： 无载流子注入，速度取决于器件的电容充放电时间，与工作温度关系不大，故热稳 定性好。 （1） 转移特性： ID随 UGS变化的曲线，成为转移特性。从下图可以看到，随着 UGS的上升，跨导将越来 越高。 ID UGS 3 图 1-4：MOSFET 的转移特性 （2）输出特性（漏极特性）： 输出特性反应了漏极电流随 VDS变化的规律。 这个特性和 VGS又有关联。下图反映了这种规律。 图中，爬坡段是非饱和区，水平段为饱和区，靠近横轴附近为截止区， 这点和 GTR 有区别。 图 1-5：MOSFET 的输出特性 VGS=0 时的饱和电流称为饱和漏电流 IDSS。 （3）通态电阻 Ron： 通态电阻是器件的一个重要参数，决定了电路输出电压幅度和损耗。 该参数随温度上升线性增加。而且 VGS增加，通态电阻减小。 （4）跨导： MOSFET 的增益特性称为跨导。定义为： Gfs=ID/VGS 显然，这个数值越大越好，它反映了管子的栅极控制能力。 （5）栅极阈值电压 栅极阈值电压 VGS是指开始有规定的漏极电流 （1mA） 时的最低栅极电压。 它具有负温度系数，结温每增加 45 度，阈值电压下降 10%。 （6）电容 MOSFET 的一个明显特点是三个极间存在比较明显的寄生电容， 这些电容 对开关速度有一定影响。偏置电压高时，电容效应也加大，因此对高压电子 系统会有一定影响。 有些资料给出栅极电荷特性图，可以用于估算电容的影响。以栅源极为 例，其特性如下： 可以看到：器件开通延迟时间内，电 荷积聚较慢。随着电压增加，电荷快速上 升，对应着管子开通时间。最后，当电压 ID I VDS VGS VGS QG 4 增加到一定程度后，电荷增加再次变慢，此时管子已经导通。 图 1-6：栅极电荷特性 （8）正向偏置安全工作区及主要参数 MOSFET 和双极型晶体管一样，也有它的安全工作区。不同的是，它的安 全工作区是由四根线围成的。 最大漏极电流 IDM：这个参数反应了器件的电流驱动能力。 最大漏源极电压 VDSM：它由器件的反向击穿电压决定。 最大漏极功耗 PDM：它由管子允许的温升决定。 漏源通态电阻 Ron：这是 MOSFET 必须考虑的一个参数，通态电阻过高， 会影响输出效率，增加损耗。所以，要根据使用要求加以限制。 图 1-7：正向偏置安全工作区 第四节：绝缘栅双极晶体管第四节：绝缘栅双极晶体管 IGBTIGBT 又叫绝缘栅双极型晶体管。 一原理： 半导体结构分析略。 本讲义附加了相关资料， 供感兴趣的同事可以查阅。 该器件符号如下： N 沟道P 沟道 图 1-8：IGBT 的图形符号 注意，它的三个电极分别为门极 G、集电极 C、发射极 E。 GG C E C E ID VDS VDSM IDM PCM RON 5 图 1-9：IGBT 的等效电路图。 上面给出了该器件的等效电路图。实际上，它相当于把 MOS 管和达林顿晶体管做到 了一起。因而同时具备了 MOS 管、GTR 的优点。 二特点： 这种器件的特点是集 MOSFET 与 GTR 的优点于一身。输入阻抗高，速度快，热稳定性 好。通态电压低，耐压高，电流大。 它的电流密度比 MOSFET 大，芯片面积只有 MOSFET 的 40%。但速度比 MOSFET 略低。 大功率 IGBT 模块达到 1200-1800A/1800-3300V 的水平（参考）。速度在中等电压 区域（370-600V），可达到 150-180KHz。 三参数与特性： （1）转移特性 图 1-10：IGBT 的转移特性 这个特性和 MOSFET 极其类似，反映了管子的控制能力。 （2）输出特性 图 1-11：IGBT 的输出特性 它的三个区分别为： 靠近横轴：正向阻断区，管子处于截止状态。 爬坡区：饱和区，随着负载电流 Ic 变化，UCE基本不变，即所谓饱和状态。 水平段：有源区。 （3）通态电压 Von： IC UGE VCE VGE IC I VON IGBT MOSFET 6 图 1-12：IGBT 通态电压和 MOSFET 比较 所谓通态电压，是指 IGBT 进入导通状态的管压降 VDS，这个电压随 VGS上升而下降。 由上图可以看到，IGBT 通态电压在电流比较大时，Von 要小于 MOSFET。 MOSFET 的 Von 为正温度系数，IGBT 小电流为负温度系数，大电流范围内为正温度 系数。 （4）开关损耗： 常温下，IGBT 和 MOSFET 的关断损耗差不多。MOSFET 开关损耗与温度关系不大，但 IGBT 每增加 100 度，损耗增加 2 倍。 开通损耗 IGBT 平均比 MOSFET 略小，而且二者都对温度比较敏感，且呈正温度系数。 两种器件的开关损耗和电流相关，电流越大，损耗越高。 （5）安全工作区与主要参数 ICM、UCEM、PCM： IGBT 的安全工作区是由电流 ICM、电压 UCEM、功耗 PCM包围的区域。 图 1-13：IGBT 的功耗特性 最大集射极间电压 UCEM：取决于反向击穿电压的大小。 最大集电极功耗 PCM：取决于允许结温。 最大集电极电流 ICM：则受元件擎住效应限制。 所谓擎住效应问题：由于 IGBT 存在一个寄生的晶体管，当 IC 大到一定程度，寄生 晶体管导通，栅极失去控制作用。此时，漏电流增大，造成功耗急剧增加，器件损坏。