QDSJ217 功率电子器件和电阻

NO.217功率电子器件知识基础功率电子器件知识基础一、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：MOSFET赫以上。通态压降（）速度，减小器件体积。代可控硅。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。二、功率电子器件概览1、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：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。高效超快速二极管。0.8-1.2V，适合小功率，12VSBD。0.4V5V（200V），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12、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。 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。下图是这种器件的内部典型结构。图：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）。3、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。4、功率MOSFET100V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、500V/50A/100KHz5、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。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。三、功率场效应管MOSFET功率场效应管又叫功率场控晶体管。1、原理：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（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor）。它又分为N沟道、P沟道两种。器件符号如下：图：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。2、特点：这种器件的特点是输入绝缘电阻大（1），基本为零。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。3、参数与器件特性：关系不大，故热稳定性好。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。图：MOSFET的转移特性输出特性（漏极特性）：VDS又段为饱和区，靠近横轴附近为截止区，这点和图：MOSFET的输出特性VGS=0时的饱和电流称为饱和漏电流IDSS。通态电阻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。跨导：MOSFET的增益特性称为跨导。定义为：Gfs=ΔID/ΔVGS显然，这个数值越大越好，它反映了管子的栅极控制能力。栅极阈值电压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4510%。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：图：栅极电荷特性 图：正向偏置安全工作区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。四、绝缘栅双极晶体管IGBT又叫绝缘栅双极型晶体管。1、原理：该器件符号如下：图：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。图：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MOSMOS优点。2、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150180KHz。3、参数与特性：MOSFET控制能力。图的转移特性 图的输出特性输出特性它的三个区分别为：IcUCE饱和状态。水平段：有源区。通态电压所谓通态电压，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。图通态电压和MOSFET比较 图的功耗特性开关损耗：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。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。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：由于存在一个寄生的晶体管，当IC安全工作区随着开关速度增加将减小。栅极偏置电压与电阻di/dt明显和栅极偏置电压、电阻di/dt越小。而且，栅极电压和短路损坏时间关系也很大，栅极偏置电压越高，短路损坏时间越短。五、电阻定义和分类定义：导体对于电流的阻碍作用叫做该导体的电阻，它是导体本身的一种性质，通常用字母R表示，电阻的单位是欧姆，简称Ω。1、结构分类按照结构电阻可以分为固定电阻器、可变电阻器以及特种电阻器，他们具有不同的特性。1）固定电阻器：就是在常规条件下阻值不变电阻器。可变电阻器：也称为可调电阻器，可以通过旋钮或者其他物理方式改变阻值大小。特种电阻器：也称为敏感电阻器，指的是压敏电阻、热敏电阻、光敏电阻等阻值对环境变化敏感的电阻器，适用于特殊的使用环境或是检测设备中。下图为光敏电阻2、外形分类除了常见的方形片状贴片电阻和圆柱电阻，还有长条状的集成电阻、管状的绕线电阻。3、材料分类这里就有讲究了，材料不同的电阻所对应的成本以及使用性能差异很大。下面主要对这五种类型的电阻进行分析：碳膜、金属膜、金属氧化膜、线绕电阻、SMT表贴电阻。1）碳膜Carbonfilmresistor：制作工艺：它是采用高温真空镀膜技术将碳紧密附在瓷棒表面形成碳膜，然后加适当接头切割，并在其表面涂上环氧树脂密封保护而成的。碳膜的厚度决定阻值的大小，通常用控制膜的厚度和刻槽来控制电阻器。特点：价格便宜，精度较低（±5%左右），稳定性好，阻值和功率范围也比较宽，属于负温度系数电阻（温度升高，电阻减小）。应用：不适用于高精度使用环境（运算放大器放大、DCDC电源分压等等）金属膜metalfilmresistor：制作工艺：它是采用高温真空镀膜技术将镍铬或类似的合金紧密附在瓷棒表面形成皮膜，加适当接头切割，并在其表面涂上环氧树脂密封保护而成。金属膜电阻可以调整它的材料成分、膜层厚度、刻槽来调整阻值。特点：体积小，噪声低，稳定性好，经常作为精密和高稳定性的电阻器使用。应用：用在绝大多数的家电、无线通讯设备、仪器仪表中，亦用于高精度要求下的军事航天等领域，应用非常普遍。金属氧化膜Metaloxidefilmresistor：制作工艺：它是采用特种金属或合金作电阻材料，用真空蒸发或溅射的方法，在陶瓷或玻璃基本上形成氧化的电阻膜层的电阻器。金属氧化膜电阻也可以调整它的材料成分、膜层厚度、刻槽来调整阻值。特点：耐热性、噪声电势、温度系数、电压系数等电性能比碳膜电阻器优良。应用：广泛应用在电力自动化的控制设备中，可以很好的保证仪器长期在高温环境中工作的安全性。线绕电阻：制作工艺：线绕电阻器是用电阻丝绕在绝缘骨架上构成的。电阻丝一般采用具有一定电阻率的镍铬、锰铜等合金制成。绝缘骨架是由间超负载能力强，阻值常年无变化；可以选用无感型绕制（磁性的材料和特殊绕制方法减少线绕电阻电感量，接近理想电路SMD表贴电阻：制作工艺：是金属玻璃釉电阻器中的一种。是将金属粉和玻璃釉粉混合，采用丝网印刷法印在基板上制成的电阻器。特点：耐潮湿和高温，温度系数小，抗干扰性能强，高频特性好。可大大节约电路空间成本，使设计更精细化。广泛应用于计算机、手机、电子辞典、医疗电子产品、摄录机、电子电度表等设备中。4、用途分类材料的划分是确定一个大方向上的电阻的选择，而对于实际的应用环境应选择不同类型的电阻，这种划分更为细致，也是我们在进行选择时候的一种重要的参考依据。下表分别说明其技术指标和推荐应用：电阻类型技术要求指标推荐应用或限制条件普通型阻值范围：0-20MΩ；精度：±5%-±20%；用于要求一般；成本控制条件精密型功率范围：<2W；稳定性强；适用于精密放大电路以及等高要求电路功率型功率范围：2W-200W；阻值范围：0.15-1MΩ；精度±5%-±20%；绕线电阻为主，不适用于高频；适用于大功率磁场恶劣的使用环境高压型耐压值范围：1-100KV，max=35GV；功率范围:0.5W-100W;阻值范围用于高压装置高阻型阻值范围：10MΩ-10^14Ω高频型阻）电感量极小；阻值范围：<1KΩ；功率范围：max=100W；频率10Mhz以上电路集成电阻多电阻集成在一起；体积小多用于小型化电子仪器中使用；做统一的上位电阻或阻抗匹配；六、电阻的电路模型上一章节讲解了电阻的外部特性以及分类，这一章我们来看看电阻的内部特点，没错，就是它的电路模型是什么样的。1、基本概念：单位为欧姆Ω（GeorgeOhm）。2、欧姆定律：根据欧姆定律，我们可以得到电阻的定义公式和决定公式，其中定义公式为电阻在电路中计算公式。决定公式是电阻被制造出来特性，与电阻的长度、横截面积以及材料均有关系。可以得到电阻定义公式为：其中U为加在电阻两端的电压；I为通过电阻两端的电流。而电阻的决定公式为：其中ρ为电阻的电阻率，由其本身材质决定；L表示为电阻的长度，S表示电阻的横截面积；3、电阻高频等效模型这一小节的内容才是我们在做高速设计中电阻应用的重点环节。刚才也有提到，绕线电阻由于引线电感过大导致不适合在高频等效电路中应用，那么什么样的电阻才适用在高频电路呢？就是SMD贴片电阻，也是我们在高密度多层板设计中所用的电阻，这种电阻也分为薄膜电阻和厚膜电阻，这个我们会在后续内容中涉及到。不同于低频的电阻只是单一R，下图为电阻的高频等效电路：其中两边的L为两个金属引脚的电感；电容Ca为电阻内部的寄生电容；Cb为两个金属引脚间的寄生电容（贴片电阻往往比较小，可忽略）。这里特别要注意封装尺寸和内部寄生电容的关系，通常来说较小的SMD封装的寄生参数也较小。这也是除了减小体积之外，手机中已经开始用0201以及01005这种封装的电阻器件的一部分原因。七、电阻常规指标说完了电阻的内外表现形式，这里对应用的比较广泛一些基本指标进行描述，主要是用于对电阻阻值、精度、功率、电压等等选型中使用。这里的参数具体包括七种：阻值和精度、额定功率、额定电压、温度系数、非线性度、噪声系数以及可靠性和失效特性。1、阻值和精度阻值的确定是存在一个标准的阻值表，这个组织表是美国电子工业协会定义了一个标准电阻值系统，并不是所有的电阻阻值都有，建议在进行电阻首先查阅一下这个表格，然后没有的阻值使用两个电阻拼一下即可。首先，我们经常看到的E系列对应的精度是这样的：标称系列E6E12E24E48E96E192精度±20%±10%±5%±2%±1%±0.5%其中不同E的值对应的精度不同，在这个精度下所拥有的阻值是不同的，对应阻值的公式为：下面拿E6举例说明计算方法：步骤一：按照公式计算E6的公比为：步骤二：根据公比可以计算出基本数为1、1.5、2.2（1.5^2）、3.3、4.7、6.8。步骤三：根据得到的基本数，将基本系数×10^n（n为整数），即可得到具体的电阻数值。因为误差比较大，所以E6对应的阻值比较少，误差越小对应拥有的阻值就越多。这个也好理解，比如100Ω，E6误差的话100Ω误差范围就是80~120Ω，弄个90Ω也没多少意思，所以下一个电阻阻值直接就是150Ω了。读数问题是个老问题，这里简单介绍色环法和直接读数方法（贴片）：色环法如下图所示，上面4色环对应的为22×1=22度±5%（金色）。下面5色环对应470×0.1=47Ω，精度±1%。贴片电阻在实际使用过程以3位为主，大家很容易就能通过下面例子理解读数方法。实际标注算法实际值100100=10*100=10*1=1010Ω181181=18*101=18*10=180180Ω272272=27*102=27*100=2.7K2.7KΩ333333=33*103=33*1000=33K33KΩ434434=43*104=43*10000=430K430KΩ565565=56*105=56*100000=5.6M5.6MΩ206206=20*106=20*1000000=20M20MΩ2、额定功率所谓电阻的额定功率，指的就是长期工作不损坏，并且能够保证性能稳定工作的最大功率。如果换算成显卡那就是别超频，否则就容易损毁或是寿命减少，这也是矿卡不推荐购买的主要原因。下图很明显就是电阻被烧坏的现象。遇到这种问题我们必须要采取措施，就四个字：“降额使用”，差不多60%就可以了。如下功率温度曲线图所示，当温度超过70电阻的实际额定功率会急剧下降，因此，实际使用中应注意的降额标准为：当环境温度70度以下时，降额为60%使用；当环境温度超过70度时，按照图中的实际工作温度下额定功率等比例降额使用。此时的70度代指额定温度。3、额定电压同额定功率一样，电阻的额定电压指的是电阻在两端所加电压下能够长时间工作不损坏电阻的电压值，这里我找到一份超棒的降额表格，分享给大家，一图顶千言。其中Pr为额定功率；T为实际工作温度；Ts为额定环境温度，也就是功率温度曲线图中的70对应最大工作温度，对应功率温度曲线图中的150度的点；Pm为峰值脉冲功率；Ur是额定工作电压；Um是峰值脉冲电压。注意事项：[1]：电阻上存在不超过1s的脉冲负荷时要同时满足瞬态降额要求。脉冲大于1s时仍然按照稳态降额评估。[2]：电阻降额需要同时满足功率、电压和温度的降额要求。4、温度系数定义：电阻温度系数（temperaturecoefficientresistance表示电阻当温度改变1为ppm/℃。分类：负温度系数、正温度系数及在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度系数。为什么温度会对电阻值造成影响？因为温度影响电阻率的温度系数，绝大多数金属材料电阻率温度系数约等于千分之四，比如常见的银铜金铝。少数类似康铜、锰铜材料电阻率温度系数极小，可以被用来制造精密电阻元件（康铜丝做采样电阻也是这个原因）。正温度系数Coefficient），热敏电阻就是这个原理，用来做自恢复保险丝限流保护电路，温度升高，阻值增大。金属为主要材料。负温度系数Coefficient），用于测温、控温以及温度补偿等方面。金属氧化物为主要材料，寿命是其重要性能指标。5、非线性度定义：电阻两端的电压与通过它的电流不是线性关系，称为非线性电阻。如下图所示，a为线性电阻，b、c均为非线性电阻。但是实际使用中即使是线性电阻也没有如此理想化的线性关系，因为随着电流增加，电阻温度会升高，进而影响阻值大小。特性导致的。6、噪声系数电路的固有噪声包括热噪声和电流噪声。热噪声主要是由于温度引起，电阻通电发热，内部的电流导子产生无规则的运动，使电流的定向流动产生起伏变化，进而形成了热噪声电流。热噪声具体可以表示为：其中R是电阻的固定阻值；T是绝对温度；B为频率带宽；k是玻尔兹曼常数，约为1.38e^(-23)；热噪声作为电阻的本征噪声，无法避免和消除，因此在信号检测精度较高时，一定要选用高精密电阻器。过剩噪声主要是材料问题，当电流在通过电阻时，电阻薄膜并不均匀，电流不能均匀的流经电阻的每一个区域，当某个区域较为密集时，就会产生过剩噪声。也就是说：电阻的过剩噪声同电阻阻值、流过电流以及电流强度相关。解决办法：①进行电阻散热设计，减少热噪声。②选用固有噪声小的电阻材质。固有噪声（前面的特性优于后面的）：线绕、金属氧化膜、金属膜、碳膜、玻璃釉、合成膜、合成实心7、可靠性和失效特性电阻器是具有使用寿命的，而且在长时间使用过程中阻值也会发生变化，具体原因是无定型结构具有结晶化趋势，通常认为温度每增高10