電半導體裝置是現代電動電子設備的基本成分,用于操縱高壓電流和電流,以及轉換和管理電力能源,這些裝置在電力電子應用中至關重要,包括電力供應、汽車驅動器、可再生能源系統和電動車輛。

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

Power Diode

Diode Basics

在電子應用中,二極管發揮簡單的開關功能,只允許電流向一個方向流動,電極二極管擁有更大的動力、電壓和當前處理能力,在電動電子電路中廣泛使用,用于一系列目的,包括糾正、電壓調節和保護。

Diode Structure

二極是一種半導體裝置,由p型和n型半導體材料組合形成的p-n連接點組成,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的流量限制在一個方向。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揮著關鍵作用。

Figure 1: Diode pn-junction

Figure 2: Diode Symbol

用于二極管的通用符號見圖2。

Diode Operation

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

相反,當陰極陰極對陽極施以負電壓(逆向偏差)時,耗竭區域會擴大,有效地阻斷二極管的流流。

在逆向偏差狀態下,二極管對當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,當反向電壓超過二極管的分解電壓時,二極管開始在反向方向進行電流。如果電流沒有適當限制,這可能會永久損害設備。有時,某些應用的要求要求更高的電壓和電流評級,這可以通過一個單二極管來滿足。通過連接多個系列二極管,有可能提高電壓評級。同樣,為了提高當前電壓,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部署的二極管造成任何損害。

Diode Characteristics

了解二極管特性對工程動力電子電路至關重要。

Forward Voltage Drop (Vf)

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

Reverse Breakdown Voltage (Vbr)

反向分解電壓(Vbr)是一個關鍵參數,其特征是二極管在逆向偏差時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,直到反向電壓達到逆向分解電壓,然后進入分解區域,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、溫度系數和反向恢復時間。

Figure 4. Diode reverse recovery characteristics

圖4描述了二極管的反向恢復特征,特別是反向恢復時間(trr),圖4說明了該二極管的反向恢復特征。

trr 是指二極管流零交叉與達到IR值之間的時間間隔, tb 是指最大反向恢復時間與IR值之間的時間間隔, tb 是指最大反向恢復時間與達到IR值約0.25之間的時間間隔。 時間常數ta 歸因于在連接點耗竭區儲存裝藥, tb 是散裝半導體材料中裝藥的儲存。 小型trr 是可取的, 特別是對于高頻應用而言, 最好是接近零。 但是, 這可能導致制造成本的增加。 相比之下, 二極管的遠端恢復時間的特點是開關時間, 也就是二極管開關和允許所有多數載體在從逆向偏向狀態向前傾斜后對流作出貢獻所需的時間。

Diode Types

電極二極管可根據其反向恢復時間和制造技術分為三大類,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時間,通常在幾十微秒的范圍內,例如25微秒。它們適用于低頻應用,例如分解器和輸入頻率低的轉換器。這些二極管的電壓等級通常從50V到大約5kV不等。此外,目前的等級通常從不到1A到數千安培。

快速恢復二極極:這類二極管的反向恢復時間通常小于5微米,因此適合用于DC-DC和DC-AC轉換器電路,因為恢復時間是一個關鍵因素。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到數千安培。

沙特基二極極:Schottky二極管的遠方電壓下降幅度較低,從0.15-0.45伏到大約10毫秒的短反向恢復時間。二極管中僅有連接器的電能下降是反向恢復時間低的原因。然而,Schottky二極管有諸如低反向電壓等級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輸入轉換成DC輸出。這一過程涉及防止當前流向一個方向,只允許AC波形的一半或整個周期通過。

半波

全波校正

在半波校正中,一個單二極管區塊,可以是AC波形正或負半,導致以相當于輸入AC信號頻率的頻率向DC輸出脈沖,反之,全波校正使用由四個二極管組成的二極管橋,在特定配置中進行排列,以糾正AC波形的兩半。這導致以輸入AC波形信號的兩倍頻率向DC輸出脈沖,這是一個效率更高的過程,比半波校正產生較低的波紋含量。因此,全波校正是各種應用,包括電源、充電器和DC發動機驅動器的更合適的選擇。

Clipping and Clamping

在半波校正中,一個單二極管區塊,可以是AC波形正或負半,導致以相當于輸入AC信號頻率的頻率向DC輸出脈沖,反之,全波校正使用由四個二極管組成的二極管橋,在特定配置中進行排列,以糾正AC波形的兩半。這導致以輸入AC波形信號的兩倍頻率向DC輸出脈沖,這是一個效率更高的過程,比半波校正產生較低的波紋含量。因此,全波校正是各種應用,包括電源、充電器和DC發動機驅動器的更合適的選擇。

Other applications

二極管具有作為電壓乘數的功能,其安排可導致空調信號翻番、三倍或四倍,此外,電轉換器、電控器和電路也使用二極管來進行保護。

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體裝置,具有獨特的特性,因此非常適合各種電動電子應用。

Thyristor Structure

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

Figure 5. Thyristor p-n junctions

Figure 6. Thyristor symbol

Thyristor Operation

通過分析3個 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。當對陰極的電路使用正電壓時,J1和J3 路口會變成前向方向,而J2 路口會變成反向方向。在這種狀態下,胸口不會發生電流,而是保持在關閉狀態或阻塞狀態中。通過將3個 PN 路口的電流應用電壓提升到高值,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,這種方法對轉動器有害,安全地打開胸口,在J2 路口的大門和陰道之間會發生正向反向反向方向的電流。由于洞洞和電路口的行為,門的脈沖會讓少數運貨進入逆向方向的電路口點,使更低的電流區域保持中位,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、高電流和低導電損失,使其適合高功率應用。 另外,與其它電動電子設備相比,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)

遠方分解電壓是指J2交界點開始進行或發生雪崩分解的電壓水平,而不需要在陽極和陰極之間應用門信號。

Latching Current (IL)

確定拉鏈電流對于使用深水體的電路設計至關重要。 這個參數保證在拆除大門信號后,立即在預定操作條件下將深水體保持在預定操作條件下的狀態。 不考慮適當的拉鏈電流可能導致不可靠的轉彎,導致不優化的性能或故障。 相反,一個低拉鏈電流的深水體可能由于噪音或瞬時的流紋而發生意外操作。

Holding Current (IH)

持有電流是最小的動畫流, 使你的內衣人可以將它調離, 并恢復到它的阻塞狀態。 一旦你的內衣人處于On狀態, 動畫流會降到低于持有電流的下面, 您的內衣人就會關掉, 直到再次打開時針。 持有電流是設計基于你的內衣的電路的關鍵參數, 因為它有助于確保穩定的操作, 防止你的內衣人在正常操作期間無意地關閉 。

Turn-on Time (ton)

開關時間( ton) 是應用門脈沖后, 內衣人用電所需的時間。 具體地說, 內衣人的定義是穩定狀態門的電流達到10%( 0.1IG) 的點與內衣人的電流達到90%( 0.9IT) 的點之間的時間。 內衣人可以計算為延遲時間( td) 和上升時間( tr) 的總和, 內衣人的時間是10%的門流( 0.1IG) 和10%的內衣人的電流( 0.1IT) 之間的時間。 上升時間( tr) 是陰道從現有電流的10%( 0.1IT) 增加到90%的內衣人( 0.9IT) 所需的時間。

Thyristor Types

不同種類的洗禮者的存在基于獨特的特征,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)將兩個抗平行的胸腔運動者(BCT)的好處合并成一個單一的包件,從而形成了一個緊湊的設計、簡化的冷卻系統和更高的可靠性。 BCT擁有兩個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(VAR)補償器、靜電開關和發動機驅動器等應用。

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,這些部件經常用于AC級控制電路。

Gate Turn-off Thyristors (GTOs)

GTO,或Gate turn-On-Thiristor,可以用像SCR那樣的正門信號激活。然而,GTO的獨特方面是,它們可以用負門信號解除作用。 GTO的啟動過程比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用于高功率的反轉器和變速驅動器。

Other Thyristor types

此外,還有其他的改變,如光活硅控制矯正器(LASCRs),某些晶體體體結合了外效晶體管(FETs)和金屬-氧化半導體外效晶體管(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電源控制應用程序中,神靈是常用的組成部分,因為它們有能力有效管理大量電力。

在供暖系統中,通過控制用于抵抗供暖元素的動力,可以使用水溫調節器調節溫度。 通過操縱水溫元件的射擊角度,可以調節供暖元件的動力,從而保持理想的溫度。

在照明系統中,它們用于調節燈具的亮度,例如白種燈或鹵素燈泡,辦法是控制燈具的電源,這種控制方法稱為階段控制稀釋。

在運動控制系統中,胸腺運動器被用來調節感官或同步運動等空調運動的速度和節奏,以胸腺運動控制系統為主的運動控制系統可以通過調整對運動的電壓和頻率來精確管理發動機的速度和節奏。

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

級控整流器是使用胸腔將高功率AC功率轉換成DC功率的電子電路。 與傳統的二極管整流器相比, 級控整流器可以對輸出電壓、 提高效率和減少調和扭曲提供更優越的控制。 級控整流器中的胸腔整流器在AC輸入波形的每個半個周期以一個特定階段角度觸發, 允許通過控制點火角度將DC輸出電壓調整到理想水平。 這個功能使級控整流器特別適合于需要電動車輛充電器、電池充電系統和高壓DC傳輸系統等可變的DC電壓的應用。

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

各種應用,包括機動車驅動器和可再生能源系統,通常都使用基于內心的逆向轉換器,將DC電力轉換成AC電力。

在發動機驅動器中,反轉器產生可調整的頻率和電壓AC輸出,以調節發動機的速度和托盤,由于它們有能力處理大量電力,因此在工業驅動器和車動牽引系統等高功率應用中經常使用基于胸腔的反轉器。

在太陽能和風能裝置等可再生能源系統中,發電通常為DC, 后者必須轉換成AC, 使用反轉器將其納入電網或電源AC載荷,在這些系統中可以使用以Tyristor為基礎的反轉器來產生與電網兼容的AC, 低調扭曲和更高的效率。

Power Bipolar Junction Transistors (BJTs)

兩極交叉晶體管(BJTs)在電子領域應用的歷史多種多樣,范圍很廣,用于多種放大應用和轉換機制,在有動力的電子領域,要求BJTs處理高功率、電壓和當前評級的能力,低開關/關閉時間,低電壓下降,阻塞模式中最小的滲漏,主要用于電動電子轉換。

BJT Structure

雙極交接晶體管(BJT)是一種半導體裝置,由三層和三個終端組成,具有交替式的p型和n型兩層。三個終端是發射機、基地和收集機。有兩種BJT類型:NPN和PNP,按其層的排列而區別。在NPN BJT中,發射機和收集機由n型材料制成,而基底由p型材料制成。相反,在PNP BJT中,發射機和收集機由p型材料制成,基底由n型材料制成。BJT有兩個交叉點:一個收集器-基準連接點(CBJ)和一個基點-發射接頭(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PNP BJT來說,曲線的極值是倒轉的。

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,即截斷、主動和飽和,這取決于交叉路口的偏向性條件。

在截斷模式下,收集器-基地交叉路口(CBJ)和基地發射器交叉路口(BEJ)都反向偏向,導致BJT關閉。

在活動模式中,BEJ具有前向偏向,而CBJ則具有反向偏向,導致BJT發揮放大器的作用,基流擴大,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,導致BJT作為封閉開關,基流足夠高,以致收集器-發射電壓較低。

Figure 12. BJT transfer characteristics

在BJT設計中,切換特性具有重大意義。在瞬時切換條件中,BJT的功能在影響晶體管的開關和開關時間方面起著關鍵作用。BJT的內部功能在應用基電壓時造成晶體管的即時開關延遲。這一延遲時間取決于BEJ由于其能力而成為前向點所需的時間,而上升時間則取決于收藏器流達到其穩定狀態值所需的時間。同樣,轉接時間由反向偏斜的BEJ能力決定。這些因素至關重要,因為它們決定了切換損失。為了確保最佳操作,BJT應以適當的驅動電路和充足基流進行操作,以便利快速開關。此外,必須保持雙極交接式晶體管(BJTs)適當地飽和,以盡量減少行為損失。

BJTs Applications

BJT經常用于多種電力電子應用,包括:

Flyback Converters

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

Chopper Drives:

直升機驅動器可以在DC馬達和固定電壓的DC輸入器之間連接,以改變臂電壓。通過控制BJTs的轉換,可以改變工作周期,從而調節馬達的電流和速度。DC型直升機也可以用來利用發動機的再生制動,讓電源恢復能量。這使得它們成為現代運輸系統的一個有吸引力的選擇。

Other Applications:

BJT還用于交換式模式電源、反轉器、諸如前置轉換器等各種轉換器和音頻裝置。

Power 半導體裝置 - MOSFETs, IGBTs

責任編輯：彭菁