电半导体装置是现代电动电子设备的基本成分,用于操纵高压电流和电流,以及转换和管理电力能源,这些装置在电力电子应用中至关重要,包括电力供应、汽车驱动器、可再生能源系统和电动车辆。

本章探讨动力二极管、胸腔晶体管、双极交接晶体管、金属-氧化半导体外效晶体管和隔热双极晶体管的特性和使用。

Power Diode

Diode Basics

在电子应用中,二极管发挥简单的开关功能,只允许电流向一个方向流动,电极二极管拥有更大的动力、电压和当前处理能力,在电动电子电路中广泛使用,用于一系列目的,包括纠正、电压调节和保护。

Diode Structure

二极是一种半导体装置,由p型和n型半导体材料组合形成的p-n连接点组成,p型材料含有过多的孔或缺电,而n型材料含有过量的电子,这就将水流通过交叉点的流量限制在一个方向。二极的两端是与p型一层相连的阳极和与n型层相连的阴极,如图1所示。

耗竭区域是p型材料和n型材料之间的界面,没有充电载体,在二极管的操作中发挥着关键作用。

Figure 1: Diode pn-junction

Figure 2: Diode Symbol

用于二极管的通用符号见图2。

Diode Operation

二极管的运行可以通过检查p-n交叉口在不同电压条件下的行为来理解。当对阴极的阳极施以正电压时(前向偏移),耗竭区域缩小,允许水流通过二极管。在前向偏移状态下,二极管对当前电流的阻力较小,允许电流以最小的电压下降通过它。

相反,当阴极阴极对阳极施以负电压(逆向偏差)时,耗竭区域会扩大,有效地阻断二极管的流流。

在逆向偏差状态下,二极管对当前流量的阻力非常大,只能让(微量或毫升的)流出的电流微乎其微。然而,当反向电压超过二极管的分解电压时,二极管开始在反向方向进行电流。如果电流没有适当限制,这可能会永久损害设备。有时,某些应用的要求要求更高的电压和电流评级,这可以通过一个单二极管来满足。通过连接多个系列二极管,有可能提高电压评级。同样,为了提高当前电压,二极管可以平行连接。然而,必须选择具有类似特性的二极管以避免对部署的二极管造成任何损害。

Diode Characteristics

了解二极管特性对工程动力电子电路至关重要。

Forward Voltage Drop (Vf)

前方电压下降(Vf)是指在前向偏移时(当阳极与阴极相比具有更大的潜力时)在确定的现有水平上横跨二极管终端的电压下降。在前向偏移时,应用的电压必须克服p-n交叉口的内在潜在屏障,以便流出电流。对于硅二极管而言,前向电压下降通常在0.6V至0.7V之间,对于Shottky二极管,则在0.2V至0.3V之间。

Reverse Breakdown Voltage (Vbr)

反向分解电压(Vbr)是一个关键参数,其特征是二极管在逆向偏差时可以承受的最大反向电压(Vbr)的特性。 在反向偏差模式下,二极管只允许最小的流出,直到反向电压达到逆向分解电压,然后进入分解区域,允许大量流流。

图3说明了典型电极二极管的V-I特性。

Figure 3. V-I characteristics of diode

Other Diode Characteristics

其他特征包括:接合能力、温度系数和反向恢复时间。

Figure 4. Diode reverse recovery characteristics

图4描述了二极管的反向恢复特征,特别是反向恢复时间(trr),图4说明了该二极管的反向恢复特征。

trr 是指二极管流零交叉与达到IR值之间的时间间隔, tb 是指最大反向恢复时间与IR值之间的时间间隔, tb 是指最大反向恢复时间与达到IR值约0.25之间的时间间隔。 时间常数ta 归因于在连接点耗竭区储存装药, tb 是散装半导体材料中装药的储存。 小型trr 是可取的, 特别是对于高频应用而言, 最好是接近零。 但是, 这可能导致制造成本的增加。 相比之下, 二极管的远端恢复时间的特点是开关时间, 也就是二极管开关和允许所有多数载体在从逆向偏向状态向前倾斜后对流作出贡献所需的时间。

Diode Types

电极二极管可根据其反向恢复时间和制造技术分为三大类,即:

普通用途二极体:这些类型的二极管通常具有高反向恢复时间,通常在几十微秒的范围内,例如25微秒。它们适用于低频应用,例如分解器和输入频率低的转换器。这些二极管的电压等级通常从50V到大约5kV不等。此外,目前的等级通常从不到1A到数千安培。

快速恢复二极极:这类二极管的反向恢复时间通常小于5微米,因此适合用于DC-DC和DC-AC转换器电路,因为恢复时间是一个关键因素。这些二极管的电压范围一般在50V至大约3千伏之间,而目前的电压范围通常从不到1A到数千安培。

沙特基二极极:Schottky二极管的远方电压下降幅度较低,从0.15-0.45伏到大约10毫秒的短反向恢复时间。二极管中仅有连接器的电能下降是反向恢复时间低的原因。然而,Schottky二极管有诸如低反向电压等级和增加渗漏流等限制。这种二极管的最大允许电压通常限于100伏,目前的电压等级从1到400伏不等。Schottky二极管适合高流和低电压的DC电力供应以及低流电源,以提高效率。

Diode Applications

电路中的二极管由于其在单一方向上进行电流的能力,在电子电路中具有广泛的用途。

Rectification

电路中通常使用二极管,将AC输入转换成DC输出。这一过程涉及防止当前流向一个方向,只允许AC波形的一半或整个周期通过。

半波

全波校正

在半波校正中,一个单二极管区块,可以是AC波形正或负半,导致以相当于输入AC信号频率的频率向DC输出脉冲,反之,全波校正使用由四个二极管组成的二极管桥,在特定配置中进行排列,以纠正AC波形的两半。这导致以输入AC波形信号的两倍频率向DC输出脉冲,这是一个效率更高的过程,比半波校正产生较低的波纹含量。因此,全波校正是各种应用,包括电源、充电器和DC发动机驱动器的更合适的选择。

Clipping and Clamping

在半波校正中,一个单二极管区块,可以是AC波形正或负半,导致以相当于输入AC信号频率的频率向DC输出脉冲,反之,全波校正使用由四个二极管组成的二极管桥,在特定配置中进行排列,以纠正AC波形的两半。这导致以输入AC波形信号的两倍频率向DC输出脉冲,这是一个效率更高的过程,比半波校正产生较低的波纹含量。因此,全波校正是各种应用,包括电源、充电器和DC发动机驱动器的更合适的选择。

Other applications

二极管具有作为电压乘数的功能,其安排可导致空调信号翻番、三倍或四倍,此外,电转换器、电控器和电路也使用二极管来进行保护。

Thyristor

Thyristor Basics

通常被称为硅控制的整治器(SCR)的胸肌体是一种半导体装置,具有独特的特性,因此非常适合各种电动电子应用。

Thyristor Structure

切口器是一种半导体装置,它有3个终端和4个交替层的p型和n型材料,以p-n-p-n-n配置安排。在设备内,它产生3个PN交叉点(J1、J2和J3),三个终端是阳极、阴极和门,每个端点都与设备的一个层相连。阳极应该连接到最外端的p型层、阴极与最外端的n型层,以及通往内端p型层的大门。图5中说明了你胸口的p-n交叉点,图6则描述了你胸口常用的符号。

Figure 5. Thyristor p-n junctions

Figure 6. Thyristor symbol

Thyristor Operation

通过分析3个 PN 路口在不同的电压条件下的电流作用,可以理解该胸口的功能。当对阴极的电路使用正电压时,J1和J3 路口会变成前向方向,而J2 路口会变成反向方向。在这种状态下,胸口不会发生电流,而是保持在关闭状态或阻塞状态中。通过将3个 PN 路口的电流应用电压提升到高值,使J2 路口的反向偏向方向断开,使J2 路口的电路口在被称为电流崩溃的过程中断开。然而,这种方法对转动器有害,安全地打开胸口,在J2 路口的大门和阴道之间会发生正向反向反向方向的电流。由于洞洞和电路口的行为,门的脉冲会让少数运货进入逆向方向的电路口点,使更低的电流区域保持中位,使电流流通过电流流流流向下流流流流流流流流流流。 将电流保持下去的电流流, 将电流流流流流流流压到电压到电压到电压到电压到电流, 。

Thyristor Properties

这些特征包括能够阻挡高电压、高电流和低导电损失,使其适合高功率应用。 另外,与其它电动电子设备相比,以其高度可靠、耐久和成本效益而闻名。

Thyristor Characteristics

图7展示了始祖的V-I特征。

Figure 7. Thyristor V-I characteristics

Forward Breaking Voltage (VBO)

远方分解电压是指J2交界点开始进行或发生雪崩分解的电压水平,而不需要在阳极和阴极之间应用门信号。

Latching Current (IL)

确定拉链电流对于使用深水体的电路设计至关重要。 这个参数保证在拆除大门信号后,立即在预定操作条件下将深水体保持在预定操作条件下的状态。 不考虑适当的拉链电流可能导致不可靠的转弯,导致不优化的性能或故障。 相反,一个低拉链电流的深水体可能由于噪音或瞬时的流纹而发生意外操作。

Holding Current (IH)

持有电流是最小的动画流, 使你的内衣人可以将它调离, 并恢复到它的阻塞状态。 一旦你的内衣人处于On状态, 动画流会降到低于持有电流的下面, 您的内衣人就会关掉, 直到再次打开时针。 持有电流是设计基于你的内衣的电路的关键参数, 因为它有助于确保稳定的操作, 防止你的内衣人在正常操作期间无意地关闭 。

Turn-on Time (ton)

开关时间( ton) 是应用门脉冲后, 内衣人用电所需的时间。 具体地说, 内衣人的定义是稳定状态门的电流达到10%( 0.1IG) 的点与内衣人的电流达到90%( 0.9IT) 的点之间的时间。 内衣人可以计算为延迟时间( td) 和上升时间( tr) 的总和, 内衣人的时间是10%的门流( 0.1IG) 和10%的内衣人的电流( 0.1IT) 之间的时间。 上升时间( tr) 是阴道从现有电流的10%( 0.1IT) 增加到90%的内衣人( 0.9IT) 所需的时间。

Thyristor Types

不同种类的洗礼者的存在基于独特的特征,这些特征使他们有别于基本阶段控制的洗礼者,又称SCR。

Bidirectional Phase-Controlled

眼球(BCT)将两个抗平行的胸腔运动者(BCT)的好处合并成一个单一的包件,从而形成了一个紧凑的设计、简化的冷却系统和更高的可靠性。 BCT拥有两个控制前向和逆向电流的大门,并且通常用于诸如伏打膜反应(VAR)补偿器、静电开关和发动机驱动器等应用。

Bidirectional Triode Thyristors

双向三极切入器也称为TRIACs,由两根抗平行切入器组成,特别是,这一双向装置共用大门连接,这些部件经常用于AC级控制电路。

Gate Turn-off Thyristors (GTOs)

GTO,或Gate turn-On-Thiristor,可以用像SCR那样的正门信号激活。然而,GTO的独特方面是,它们可以用负门信号解除作用。 GTO的启动过程比SCR要不可靠,即使激活后必须保持一小块正门电流以取得最佳性能。 GTO用于高功率的反转器和变速驱动器。

Other Thyristor types

此外,还有其他的改变,如光活硅控制矫正器(LASCRs),某些晶体体体结合了外效晶体管(FETs)和金属-氧化半导体外效晶体管(MOSFETs),如FET控制的胸型晶体管(FET-CTHs)和MOS的切入式胸型晶体管(MOTOs)。

Thyristor Applications

寺庙用于几种电器用途,包括:

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

在AC电源控制应用程序中,神灵是常用的组成部分,因为它们有能力有效管理大量电力。

在供暖系统中,通过控制用于抵抗供暖元素的动力,可以使用水温调节器调节温度。 通过操纵水温元件的射击角度,可以调节供暖元件的动力,从而保持理想的温度。

在照明系统中,它们用于调节灯具的亮度,例如白种灯或卤素灯泡,办法是控制灯具的电源,这种控制方法称为阶段控制稀释。

在运动控制系统中,胸腺运动器被用来调节感官或同步运动等空调运动的速度和节奏,以胸腺运动控制系统为主的运动控制系统可以通过调整对运动的电压和频率来精确管理发动机的速度和节奏。

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

级控整流器是使用胸腔将高功率AC功率转换成DC功率的电子电路。 与传统的二极管整流器相比, 级控整流器可以对输出电压、 提高效率和减少调和扭曲提供更优越的控制。 级控整流器中的胸腔整流器在AC输入波形的每个半个周期以一个特定阶段角度触发, 允许通过控制点火角度将DC输出电压调整到理想水平。 这个功能使级控整流器特别适合于需要电动车辆充电器、电池充电系统和高压DC传输系统等可变的DC电压的应用。

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

各种应用,包括机动车驱动器和可再生能源系统,通常都使用基于内心的逆向转换器,将DC电力转换成AC电力。

在发动机驱动器中,反转器产生可调整的频率和电压AC输出,以调节发动机的速度和托盘,由于它们有能力处理大量电力,因此在工业驱动器和车动牵引系统等高功率应用中经常使用基于胸腔的反转器。

在太阳能和风能装置等可再生能源系统中,发电通常为DC, 后者必须转换成AC, 使用反转器将其纳入电网或电源AC载荷,在这些系统中可以使用以Tyristor为基础的反转器来产生与电网兼容的AC, 低调扭曲和更高的效率。

Power Bipolar Junction Transistors (BJTs)

两极交叉晶体管(BJTs)在电子领域应用的历史多种多样,范围很广,用于多种放大应用和转换机制,在有动力的电子领域,要求BJTs处理高功率、电压和当前评级的能力,低开关/关闭时间,低电压下降,阻塞模式中最小的渗漏,主要用于电动电子转换。

BJT Structure

双极交接晶体管(BJT)是一种半导体装置,由三层和三个终端组成,具有交替式的p型和n型两层。三个终端是发射机、基地和收集机。有两种BJT类型:NPN和PNP,按其层的排列而区别。在NPN BJT中,发射机和收集机由n型材料制成,而基底由p型材料制成。相反,在PNP BJT中,发射机和收集机由p型材料制成,基底由n型材料制成。BJT有两个交叉点:一个收集器-基准连接点(CBJ)和一个基点-发射接头(BEJ)。

Figure 8. NPN Transistor structure and symbol

Figure 9. PNP Transistor structure and symbol

BJT Operation and Characteristics

图8描述了NPN BJT的V-I特性,其中基流(IB)是用基离子电压(VBE)绘图的,NPN BJT的输出V-I特性在图9中说明,收集器电流(IC)是用收集器离子电压(VCE)绘图的,对PNP BJT来说,曲线的极值是倒转的。

Figure 10. NPN BJT input V-I characteristics

Figure 11. NPN BJT output V-I characteristics

两极交界晶体管(BJTs)显示出三种不同的操作模式,即截断、主动和饱和,这取决于交叉路口的偏向性条件。

在截断模式下,收集器-基地交叉路口(CBJ)和基地发射器交叉路口(BEJ)都反向偏向,导致BJT关闭。

在活动模式中,BEJ具有前向偏向,而CBJ则具有反向偏向,导致BJT发挥放大器的作用,基流扩大,集水器电压随着基流增加而下降。

在饱和模式下,BEJ和CBJ都具有前向偏向性,导致BJT作为封闭开关,基流足够高,以致收集器-发射电压较低。

Figure 12. BJT transfer characteristics

在BJT设计中,切换特性具有重大意义。在瞬时切换条件中,BJT的功能在影响晶体管的开关和开关时间方面起着关键作用。BJT的内部功能在应用基电压时造成晶体管的即时开关延迟。这一延迟时间取决于BEJ由于其能力而成为前向点所需的时间,而上升时间则取决于收藏器流达到其稳定状态值所需的时间。同样,转接时间由反向偏斜的BEJ能力决定。这些因素至关重要,因为它们决定了切换损失。为了确保最佳操作,BJT应以适当的驱动电路和充足基流进行操作,以便利快速开关。此外,必须保持双极交接式晶体管(BJTs)适当地饱和,以尽量减少行为损失。

BJTs Applications

BJT经常用于多种电力电子应用,包括:

Flyback Converters

Flyback 转换器是用于电力转换的装置,它既能促进AC转换到DC,又能促进DC转换到DC,同时能提供输入和输出之间的变速器隔离。这些转换器所使用的分离导引器形成了一个能够提供必要的分离的变压器。在功能上,飞背转换器与压强转换器相似,但它赋予了分离的额外好处。

Chopper Drives:

直升机驱动器可以在DC马达和固定电压的DC输入器之间连接,以改变臂电压。通过控制BJTs的转换,可以改变工作周期,从而调节马达的电流和速度。DC型直升机也可以用来利用发动机的再生制动,让电源恢复能量。这使得它们成为现代运输系统的一个有吸引力的选择。

Other Applications:

BJT还用于交换式模式电源、反转器、诸如前置转换器等各种转换器和音频装置。

Power 半导体装置 - MOSFETs, IGBTs

责任编辑：彭菁