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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(jí)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(cè)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(jí)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(chǎng)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(kāi)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(kāi)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(jí)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(chǎng)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。
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常見(jiàn)的功率器件
隨著半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件的發(fā)展與改進(jìn)，降低了對(duì)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(jiàn)的功率器件，如電力二極管、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）及它們的符號(hào)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(wèn)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(yáng)極電勢(shì)與陰極電勢(shì)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(yáng)極電勢(shì)小于陰極電勢(shì)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(yáng)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(hào)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(kāi)關(guān)頻率器件。它們主要應(yīng)用在開(kāi)關(guān)時(shí)間同通態(tài)時(shí)間相比可以忽略的場(chǎng)合，其中開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率通常限制為市電的工頻頻率。
對(duì)于需要快速開(kāi)關(guān)的應(yīng)用場(chǎng)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。快恢復(fù)二極管常見(jiàn)于電壓超過(guò)60-100V的快速開(kāi)關(guān)整流器及逆變器中。而在低于60-100V的低電壓開(kāi)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(kāi)通、關(guān)斷的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，并具有30kHz到1MHz范圍的更高開(kāi)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(kāi)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(méi)有反向電壓阻斷能力。圖2為N溝道MOSFET器件的符號(hào)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(huì)超過(guò)20V。為了減少開(kāi)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(méi)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(hào)以源極作為參考電位。該信號(hào)由微處理器或者數(shù)字信號(hào)處理器產(chǎn)生。一般來(lái)說(shuō)，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(hào)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(zhǎng)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(hào)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(hào)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(duì)不同電壓等級(jí)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(guò)流、過(guò)壓及低壓保護(hù)電路。通過(guò)檢測(cè)MOSFET的漏源壓降可以獲知電流，而通過(guò)檢測(cè)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(guò)成本便宜的電阻進(jìn)行檢測(cè)。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(guò)在門極信號(hào)放大電路前加入與電路，可將電流和電壓保護(hù)信號(hào)整合到門極輸入信號(hào)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(hào)的延時(shí)必須非常小，以使得延時(shí)不會(huì)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(chǎng)合中使用。對(duì)于其它電壓等級(jí)，門極驅(qū)動(dòng)電路幾乎都是針對(duì)某種電路特性的特殊應(yīng)用定制開(kāi)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(hào)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(cè)在不遠(yuǎn)的將來(lái)，將研制出最大電流（1kA）和電壓（15kV）等級(jí)的增強(qiáng)型商用器件。該器件的開(kāi)關(guān)頻率往往集中在20kHz。但在大功率應(yīng)用場(chǎng)合，出于減少開(kāi)關(guān)損耗及電磁干擾等方面的考慮，往往降低其開(kāi)關(guān)頻率使用。
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