第2章 軟開關技術常用的有源電子器件

軟開關技術常用的電子元器件種類比較多，大體上可以分為無源元件和有源器件兩種。無源元件主要包括電阻、電容和電感。有源器件包括二極管、晶閘管、三極管。二極管包括普通二極管、整流二極管、快速二極管、穩壓二極管等。三極管有半導體三極管、大功率三極管、VMOS場效應晶體管、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等。晶閘管也有多種類型。本章介紹幾種常用的有源器件：半導體二極管、半導體三極管、大功率巨型三極管（GTR）、VMOS功率場效應晶體管（Power MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（InsulateclGateBipolarTransistor, IGBT）。

2.1 半導體二極管

2.1.1 半導體二極管工作原理及技術參數

半導體二極管是由一個PN結加上相應的引線和管殼做成的。由于二極管所用的半導體材料不同，有鍺二極管、硅二極管和砷化鎵二極管之分。二極管的PN結有點接觸型、面接觸型和平面型三種結構。由于點接觸型PN結的面積很小，不能承受高的反向電壓和大的電流，但極間電容很小，適用于高頻信號的檢波、脈沖電路和微小電流的整流。平時我們所用的檢波二極管就屬于此類。面接觸型二極管，由于PN結面積大，能承受較大的電流，適用于整流二極管。平面型則多用于開關、脈沖和超高頻。

1．半導體二極管的伏安特性

半導體二極管最主要的特性為單向導電。在二極管兩端施加正向電壓時，二極管呈現的電阻很小，可以通過很大的電流。反之，在二極管兩端施加反向電壓時，二極管呈現的電阻很大，流過的電流很小。反映二極管電流隨電壓變化的關系曲線稱為二極管的伏安特性曲線，如圖2-1所示。它可以通過實測的方法描繪出。根據固體物理中有關PN結的研究，二極管的正向電流可以用下式表示：

式中 I——二極管正向電流；

IS——二極管反向飽和電流；

T——熱力學溫度，單位為K。例如，在室溫25℃時，T=273+25=298K；

q——電子電荷量，等于1.602 × 10-19庫侖；

k——玻耳茲曼常量，等于1.38×10-23J/K；

u——正向電壓；

e——自然對數的底。

2．半導體二極管的主要參數及其定義

各類二極管由于作用不同，其技術參數的側重點也有差異，下面以開關電源最常用的硅整流二極管、硅開關二極管為例進行論述。

1）硅整流二極管的主要參數

（1）額定正向整流電流IF（平均值）：在規定的使用條件下，在電阻性負載的正弦半波整流電路中，允許連續通過硅整流二極管的最大工作電流。

（2）正向電壓降UF（平均值）：硅整流二極管通過額定正向整流電流時，在二極管兩極間產生的電壓降。

（3）反向漏電流IB（平均值）：硅整流二極管在正弦半波最高反向工作電壓下的漏電流。

（4）最高反向工作電壓UR（峰值）：等于或小于三分之二的硅整流二極管的擊穿電壓值。

（5）擊穿電壓UB（峰值）：硅整流二極管的反向為硬特性時，其反向伏安特性曲線急劇彎曲點的電壓值；如果為軟特性，則其值為給定的反向漏電流下的電壓值。

（6）額定結溫TjM（℃）：硅整流二極管在規定的使用條件下所允許的最高結溫。

2）硅開關二極管的主要參數

（1）最大正向電流IM：在額定功率下，允許通過二極管的最大正向脈沖電流。

（2）額定正向電流IF：在額定功率下，允許通過二極管的最大正向直流電流。

（3）正向電壓降UF：開關二極管通過正向電流時，在二極管兩極間產生的電壓降。

（4）擊穿電壓UB：二極管的反向伏安特性曲線急劇彎曲點的電壓值。

（5）最高反向工作電壓UR：通過二極管的反向漏電流為IR時，在二極管兩極間產生的電壓降。

（6）反向漏電流IR：在二極管兩端加上反向工作電壓UR時，通過二極管的電流。

（7）額定功率PM：二極管結溫不高于150℃時所能承受的最大功率。

（8）二極管零偏電容Co：在零偏壓下，二極管兩端的電容。

（9）反向恢復時間trr：二極管由正向導通狀態急劇轉換到截止狀態，從輸出脈沖下降到零開始到反向脈沖電流至最大反向電流的10%所需的時間。

2.1.2 快恢復二極管

在開關電源中，除了整流器外，二極管大多工作在高頻開關狀態，因此二極管的動態開關特性就十分重要，其中主要是正向特性和反向恢復特性。使用中要求二極管正向瞬態電壓降小，反向恢復時間短、反向恢復電荷少，并具有軟恢復特性。

1．快恢復二極管的開關特性

1）導通特性

快恢復二極管的導通有一個過程，導通初期出現較高的瞬態壓降，經過一定時間后才能處于穩定狀態，并具有很小的管壓降。這就是說，二極管導通初期不能立即響應正向電流的變化。圖2-2所示為二極管導通特性的曲線。圖2-2（a）所示為管壓降隨時間變化的曲線，其中Ufp為正向峰值電壓，tfr為正向恢復時間。圖2-2（b）所示為二極管導通電流的波形，電流上升率用diF/dt表示。由圖可知，正在導通的二極管具有比穩態電壓大得多的峰值電壓Ufp。

導通時二極管呈現的電感效應，除了器件內部機理的原因之外，還與引線長度、器件封裝采用的材料和外電路等因素有關。電感效應對電流的變化率最敏感，因此，導通時二極管電流的上升率diF/dt越大，峰值電壓Ufp就越高，正向恢復時間也越長。與其他半導體器件相似，結溫的增加使導通特性變差，即隨著結溫的增加，正向恢復時間tfr和峰值電壓Ufp也增加。

2）關斷特性

正在導通的二極管突然施加反向電壓時，反向關斷能力的恢復需要經過一段時間。在未恢復關斷能力之前，二極管相當于短路狀態，這是一個很重要的特性。全部恢復過程如圖2-3所示。圖中IR M為最大反向恢復電流，Q1、Q2為反向恢復電荷，trr為反向恢復時間。這幾個參數在電路設計中是最重要的。下面討論反向恢復過程。

由圖2-3可知，從時間t=tf開始，給已經導通的二極管施加反向電壓UR，反向恢復電流irr開始流通，原來導通的正向電流IF就以diF/dt的速率減小。這個電流變化率由反向電壓和開關電路中的電感決定，即

diF/dt=-UR/L

當t=t0時，二極管中的電流等于零。在這之前二極管處于正偏置，電流為正向偏置，電流開始反向。

在t=t1時刻，電荷Q1已被抽走，反向電流已達到最大值IRM，二極管開始恢復關斷能力。在這一時刻之前，電源電壓由線路電感上的電壓來平衡，但在電流最大值IRM時，diF/dt=0，電感電壓等于零，電源電壓由二極管上的電壓來平衡。

在t＞t1之后，反向恢復電流迅速下降，其下降速率dirr/dt較高，在線路電感中產生較高的電動勢。這個電動勢與電源電壓一同加在二極管上，所以二極管承受很高的反向電壓URM。

在t=t2之后，dirr/dt逐漸減小為零，電感電壓等于零，二極管承受電源電壓UR。這時電荷Q2也被抽空。二極管處于承受靜態反向電壓階段。

影響反向恢復過程長短的主要因素是反向恢復電荷，即在反向恢復過程中抽走的總電荷量QR。QR可由下式求出：

QR是一個很重要的參數。若QR少，則反向恢復時間trr短。這是快恢復二極管與普通整流二極管的根本區別之處。

反向恢復電荷QR與二極管正向電流、diF/dt及結溫有關。正向電流和電流變化率增加， QR增加。因為結溫增加之后，載流子壽命增加，所以QR也增加。

二極管反向恢復期間，在二極管內消耗的能量由下式決定：

式中，前一項由電荷QR決定；后一項由電感L中的儲能決定。由此看來，反向恢復損耗與二極管的反向恢復電荷密切相關。為了減小損耗，應該選用QR小的二極管。若QR小，則反向恢復時間trr=t2-t0也小。trr是快恢復二極管的一個動態參數，在使用中應注意選擇。

反向恢復電流的下降速度dirr/dt也是一個重要參數。若dirr/dt過大，由于線路存在電感L，則會使反向峰值電壓URM過高，有時出現強烈振蕩，致使二極管損壞。可用軟特性和硬特性的概念來表示dirr/dt對反向特性的影響。特性的軟硬度用“軟因子”來衡量，軟因子Sr的定義為

Sr=（t2-t1）/（t1-t0）

式中，t2由電流irr在IRM/4處的投影來決定，如圖2-4所示。軟因子也有用URM/UR的大小或IRM點兩側的斜率來表示的。

圖2-4（a）所示為Sr=0.3的硬特性器件的電流曲線，圖2-4（b）所示為Sr=0.8的軟特性器件的電流曲線。實際應用時要選用Sr大的二極管。若Sr大，二極管承受的反向峰值電壓URM則小。

目前有PN型和PIN型兩種結構的快速恢復整流二極管。在同等容量下PIN型結構具有導通壓降低，反向快速、恢復性能好的優點。不足之處是PIN型二極管具有硬恢復特性，而PN型結構則具有軟恢復特性。實現使用時可根據應用條件進行選擇。

2．肖特基二極管

肖特基二極管也屬于快恢復二極管，這種二極管用金屬層沉積在N型硅的薄外延層上，利用金屬和半導體之間接觸勢壘獲得單向導電作用，接觸勢壘相似于PN結。肖特基二極管的整流作用僅決定于多數載流子，沒有多余的少數載流子復合問題，恢復時間僅是勢壘電容的充、放電時間。故其反向恢復時間遠小于相同定額的結型二極管，而且與反向di/dt無關。肖特基二極管正向電壓降比結型二極管小，典型值為0.55V。但其漏電流比結型二極管高。它的電流定額從1A到300A，電壓定額最高為100V。

1）肖特基二極管的工作原理與內部結構

（1）工作原理

肖特基二極管也稱為勢壘二極管，其原理是它和其他PN結二極管有著完全不同的物理結構。它是以金、銀、鋁或鉑等貴金屬作為正極A，以N型半導體晶片作為負極K的二極管，其結構原理如圖2-5所示。

在圖2-5中，肖特基二極管利用貴金屬與N型半導體二者歐姆接觸面上所形成的“勢壘”，是具有整流特性而制成的貴金屬/半導體器件。因為N型半導體中存在著大量的電子，貴金屬中僅有極少量的自由電子，所以電子便從濃度高的N型半導體中向濃度低的貴金屬中擴散，顯然貴金屬中沒有空穴，也就不存在空穴自貴金屬向N型半導體的擴散運動。隨著電子不斷從N型半導體擴散到貴金屬，N型半導體表面電子濃度的“中性”被破壞，于是就形成“勢壘”，其電場方向為N型半導體→貴金屬。但在該電場的作用下，貴金屬中的電子也會產生從貴金屬→N型半導體的漂移運動，從而削弱了由于擴散運動而形成的電場。當建立起一定寬度的空間電荷區后，電場引起的電子漂移運動和濃度不同引起的電子擴散運動達到相對的平衡，便形成了肖特基“勢壘”。

（2）肖特基二極管的內部結構

由圖2-6所示引腳式肖特基二極管與貼片式肖特基二極管的內部典型結構可見，肖特基二極管的內部電路結構是以N型硅半導體為基片，在其基片上面形成用砷（As）做摻雜劑的N-外延層；陽極貴金屬層（阻擋層），圖2-6（a）采用的是金屬材料鉬（Mo），圖2-6（b）則采用的是金屬材料鋁（Al）；周圍的二氧化硅（SiO2）用來消除邊緣區域的電場，以提高管子的耐壓值。N型硅基片具有很小的通態電阻，其摻雜濃度較N-外延層要高出幾十倍。這樣在N型硅基片的下面，便形成N+陰極層，其作用是減小歐姆接觸陰極金屬的接觸電阻。

通過調整結構參數，可在陽極貴金屬與N型硅基片之間形成合適的肖特基勢壘，當外部施加正向偏壓時，貴金屬與N型硅基片分別接正向電壓的正極與負極，此時，勢壘寬度將變窄，其內阻變小；反之，若外部施加負向偏壓時，貴金屬與N型硅基片分別接負向電壓的負極與正極，此時，勢壘寬度就增加，其內阻變大。

（3）肖特基二極管內部結構安裝工藝

近年來，采用硅平面工藝制造的鋁（Al）-硅肖特基二極管已經問世，這不僅可使貴金屬節省開支，大幅度地降低成本，還改善了產品參數的一致性。

肖特基二極管內部結構的安裝工藝如圖2-7所示。

由圖2-7所示肖特基二極管內部結構的安裝工藝圖可見，其正極依靠一個具有彈性的金屬觸針與貴金屬可靠接觸；而與N型硅基片下面歐姆接觸的負極則是由金屬支架引出。

綜上所述，可明顯得出一個結論：肖特基二極管的內部結構及其結構原理與一般PN結型二極管有很大的區別。所以，通常將一般PN結整流管稱做“結整流管”；而把貴金屬N-型硅半導體整流管稱為“肖特基整流管”。

2）肖特基二極管的結構外形

（1）肖特基二極管的封裝形式

肖特基二極管的封裝形式有引腳式封裝和貼片式封裝兩種；這兩種封裝形式中又有單管式（單二極管）封裝和雙管式（雙二極管）封裝兩種封裝形式；雙管式形式中又分為共陰極式（兩管的負極短路連接）、共陽極式（兩管的正極短路連接）、串聯式（一只二極管的正極接另一只二極管的負極）三種引腳引出方式。

（2）肖特基二極管的結構外形

引腳式肖特基二極管的各種結構外形及內部電路如圖2-8所示。

貼片式肖特基二極管的各種結構外形及內部電路如圖2-9所示。

2.1.3 二極管模塊

隨著電力電子技術的發展，模塊化技術應運而生。器件的模塊化是將多個功能相同或功能不同的器件組裝在一起，構成一個功能模塊。出現最早的模塊就是半導體二極管模塊。常用的半導體二極管模塊有單二極管模塊、雙二極管模塊、單相全橋二極管整流模塊、三相半橋二極管整流模塊、三相全橋二極管整流模塊等。

單二極管模塊、雙二極管模塊按內部結構可分為單管結構、雙管串聯結構、雙管共陰極結構和雙管共陽極結構等幾種。單二極管模塊、雙二極管模塊的內部電原理圖如圖2-10所示。

利用單二極管模塊、雙二極管模塊可以很靈活地構成各種類型的單相整流電路和三相整流電路，與晶閘管模塊一起構成各種類型的單相半可控整流電路、三相半可控整流電路。

圖2-11所示為單相全橋二極管整流模塊的內部電原理圖。

圖2-12所示為三相半橋二極管整流模塊的內部電原理圖。從圖中可以看出，它有三管共陰極連接和三管共陽極連接兩種結構。該模塊不能單獨構成整流電路。一個三管共陰極連接的模塊與一個三管共陽極連接的模塊組成一個三相全橋二極管整流橋，如圖2-13所示。如果將圖中的三管共陰極連接的二極管模塊換成一個三管共陽極連接的晶閘管模塊，則可構成一個三相半控橋。同樣，三管共陽極連接的二極管模塊換成一個共陰極連接的晶閘管模塊，也可構成一個三相半控橋。

三相全橋二極管整流模塊用于三相整流電路中，不會對電網平衡造成不利的影響，所以，在大功率整流設備中得到廣泛的應用。圖2-14所示為三相全橋二極管整流模塊的內部電路原理圖。