第2章 軟開關(guān)技術(shù)常用的有源電子器件

軟開關(guān)技術(shù)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(wěn)壓二極管等。三極管有半導(dǎo)體三極管、大功率三極管、VMOS場效應(yīng)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(dǎo)體二極管、半導(dǎo)體三極管、大功率巨型三極管（GTR）、VMOS功率場效應(yīng)晶體管（Power MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（InsulateclGateBipolarTransistor, IGBT）。

2.1 半導(dǎo)體二極管

2.1.1 半導(dǎo)體二極管工作原理及技術(shù)參數(shù)

半導(dǎo)體二極管是由一個(gè)PN結(jié)加上相應(yīng)的引線和管殼做成的。由于二極管所用的半導(dǎo)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(jié)有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三種結(jié)構(gòu)。由于點(diǎn)接觸型PN結(jié)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(shí)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(jié)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(guān)、脈沖和超高頻。

1．半導(dǎo)體二極管的伏安特性

半導(dǎo)體二極管最主要的特性為單向?qū)щ姟Ｔ诙O管兩端施加正向電壓時(shí)，二極管呈現(xiàn)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(shí)，二極管呈現(xiàn)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(guān)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(shí)測的方法描繪出。根據(jù)固體物理中有關(guān)PN結(jié)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(xué)溫度，單位為K。例如，在室溫25℃時(shí)，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(shù)的底。

2．半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)及其定義

各類二極管由于作用不同，其技術(shù)參數(shù)的側(cè)重點(diǎn)也有差異，下面以開關(guān)電源最常用的硅整流二極管、硅開關(guān)二極管為例進(jìn)行論述。

1）硅整流二極管的主要參數(shù)

（1）額定正向整流電流IF（平均值）：在規(guī)定的使用條件下，在電阻性負(fù)載的正弦半波整流電路中，允許連續(xù)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(shí)，在二極管兩極間產(chǎn)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?yàn)橛蔡匦詴r(shí)，其反向伏安特性曲線急劇彎曲點(diǎn)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(jié)溫TjM（℃）：硅整流二極管在規(guī)定的使用條件下所允許的最高結(jié)溫。

2）硅開關(guān)二極管的主要參數(shù)

（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(guān)二極管通過正向電流時(shí)，在二極管兩極間產(chǎn)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(diǎn)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(shí)，在二極管兩極間產(chǎn)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(shí)，通過二極管的電流。

（7）額定功率PM：二極管結(jié)溫不高于150℃時(shí)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(fù)時(shí)間trr：二極管由正向?qū)顟B(tài)急劇轉(zhuǎn)換到截止?fàn)顟B(tài)，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(shí)間。

2.1.2 快恢復(fù)二極管

在開關(guān)電源中，除了整流器外，二極管大多工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，因此二極管的動(dòng)態(tài)開關(guān)特性就十分重要，其中主要是正向特性和反向恢復(fù)特性。使用中要求二極管正向瞬態(tài)電壓降小，反向恢復(fù)時(shí)間短、反向恢復(fù)電荷少，并具有軟恢復(fù)特性。

1．快恢復(fù)二極管的開關(guān)特性

1）導(dǎo)通特性

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

導(dǎo)通時(shí)二極管呈現(xiàn)的電感效應(yīng)，除了器件內(nèi)部機(jī)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(guān)。電感效應(yīng)對電流的變化率最敏感，因此，導(dǎo)通時(shí)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(fù)時(shí)間也越長。與其他半導(dǎo)體器件相似，結(jié)溫的增加使導(dǎo)通特性變差，即隨著結(jié)溫的增加，正向恢復(fù)時(shí)間tfr和峰值電壓Ufp也增加。

2）關(guān)斷特性

正在導(dǎo)通的二極管突然施加反向電壓時(shí)，反向關(guān)斷能力的恢復(fù)需要經(jīng)過一段時(shí)間。在未恢復(fù)關(guān)斷能力之前，二極管相當(dāng)于短路狀態(tài)，這是一個(gè)很重要的特性。全部恢復(fù)過程如圖2-3所示。圖中IR M為最大反向恢復(fù)電流，Q1、Q2為反向恢復(fù)電荷，trr為反向恢復(fù)時(shí)間。這幾個(gè)參數(shù)在電路設(shè)計(jì)中是最重要的。下面討論反向恢復(fù)過程。

由圖2-3可知，從時(shí)間t=tf開始，給已經(jīng)導(dǎo)通的二極管施加反向電壓UR，反向恢復(fù)電流irr開始流通，原來導(dǎo)通的正向電流IF就以diF/dt的速率減小。這個(gè)電流變化率由反向電壓和開關(guān)電路中的電感決定，即

diF/dt=-UR/L

當(dāng)t=t0時(shí)，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(shí)刻，電荷Q1已被抽走，反向電流已達(dá)到最大值IRM，二極管開始恢復(fù)關(guān)斷能力。在這一時(shí)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(shí)，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(fù)電流迅速下降，其下降速率dirr/dt較高，在線路電感中產(chǎn)生較高的電動(dòng)勢。這個(gè)電動(dòng)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(shí)電荷Q2也被抽空。二極管處于承受靜態(tài)反向電壓階段。

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

QR是一個(gè)很重要的參數(shù)。若QR少，則反向恢復(fù)時(shí)間trr短。這是快恢復(fù)二極管與普通整流二極管的根本區(qū)別之處。

反向恢復(fù)電荷QR與二極管正向電流、diF/dt及結(jié)溫有關(guān)。正向電流和電流變化率增加， QR增加。因?yàn)榻Y(jié)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(fù)期間，在二極管內(nèi)消耗的能量由下式?jīng)Q定：

式中，前一項(xiàng)由電荷QR決定；后一項(xiàng)由電感L中的儲能決定。由此看來，反向恢復(fù)損耗與二極管的反向恢復(fù)電荷密切相關(guān)。為了減小損耗，應(yīng)該選用QR小的二極管。若QR小，則反向恢復(fù)時(shí)間trr=t2-t0也小。trr是快恢復(fù)二極管的一個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)，在使用中應(yīng)注意選擇。

反向恢復(fù)電流的下降速度dirr/dt也是一個(gè)重要參數(shù)。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(shí)出現(xiàn)強(qiáng)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(diǎn)兩側(cè)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(shí)際應(yīng)用時(shí)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(jié)構(gòu)的快速恢復(fù)整流二極管。在同等容量下PIN型結(jié)構(gòu)具有導(dǎo)通壓降低，反向快速、恢復(fù)性能好的優(yōu)點(diǎn)。不足之處是PIN型二極管具有硬恢復(fù)特性，而PN型結(jié)構(gòu)則具有軟恢復(fù)特性。實(shí)現(xiàn)使用時(shí)可根據(jù)應(yīng)用條件進(jìn)行選擇。

2．肖特基二極管

肖特基二極管也屬于快恢復(fù)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(dǎo)體之間接觸勢壘獲得單向?qū)щ娮饔茫佑|勢壘相似于PN結(jié)。肖特基二極管的整流作用僅決定于多數(shù)載流子，沒有多余的少數(shù)載流子復(fù)合問題，恢復(fù)時(shí)間僅是勢壘電容的充、放電時(shí)間。故其反向恢復(fù)時(shí)間遠(yuǎn)小于相同定額的結(jié)型二極管，而且與反向di/dt無關(guān)。肖特基二極管正向電壓降比結(jié)型二極管小，典型值為0.55V。但其漏電流比結(jié)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(nèi)部結(jié)構(gòu)

（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(jié)二極管有著完全不同的物理結(jié)構(gòu)。它是以金、銀、鋁或鉑等貴金屬作為正極A，以N型半導(dǎo)體晶片作為負(fù)極K的二極管，其結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(dǎo)體器件。因?yàn)镹型半導(dǎo)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(dǎo)體中向濃度低的貴金屬中擴(kuò)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(dǎo)體的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。隨著電子不斷從N型半導(dǎo)體擴(kuò)散到貴金屬，N型半導(dǎo)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?yàn)镹型半導(dǎo)體→貴金屬。但在該電場的作用下，貴金屬中的電子也會產(chǎn)生從貴金屬→N型半導(dǎo)體的漂移運(yùn)動(dòng)，從而削弱了由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)而形成的電場。當(dāng)建立起一定寬度的空間電荷區(qū)后，電場引起的電子漂移運(yùn)動(dòng)和濃度不同引起的電子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)達(dá)到相對的平衡，便形成了肖特基“勢壘”。

（2）肖特基二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

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(nèi)部典型結(jié)構(gòu)可見，肖特基二極管的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)是以N型硅半導(dǎo)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(qū)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(tài)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(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，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(dāng)外部施加正向偏壓時(shí)，貴金屬與N型硅基片分別接正向電壓的正極與負(fù)極，此時(shí)，勢壘寬度將變窄，其內(nèi)阻變小；反之，若外部施加負(fù)向偏壓時(shí)，貴金屬與N型硅基片分別接負(fù)向電壓的負(fù)極與正極，此時(shí)，勢壘寬度就增加，其內(nèi)阻變大。

（3）肖特基二極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jīng)問世，這不僅可使貴金屬節(jié)省開支，大幅度地降低成本，還改善了產(chǎn)品參數(shù)的一致性。

肖特基二極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)的安裝工藝如圖2-7所示。

由圖2-7所示肖特基二極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)的安裝工藝圖可見，其正極依靠一個(gè)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(fù)極則是由金屬支架引出。

綜上所述，可明顯得出一個(gè)結(jié)論：肖特基二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)原理與一般PN結(jié)型二極管有很大的區(qū)別。所以，通常將一般PN結(jié)整流管稱做“結(jié)整流管”；而把貴金屬N-型硅半導(dǎo)體整流管稱為“肖特基整流管”。

2）肖特基二極管的結(jié)構(gòu)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(fù)極短路連接）、共陽極式（兩管的正極短路連接）、串聯(lián)式（一只二極管的正極接另一只二極管的負(fù)極）三種引腳引出方式。

（2）肖特基二極管的結(jié)構(gòu)外形

引腳式肖特基二極管的各種結(jié)構(gòu)外形及內(nèi)部電路如圖2-8所示。

貼片式肖特基二極管的各種結(jié)構(gòu)外形及內(nèi)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(shù)的發(fā)展，模塊化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。器件的模塊化是將多個(gè)功能相同或功能不同的器件組裝在一起，構(gòu)成一個(gè)功能模塊。出現(xiàn)最早的模塊就是半導(dǎo)體二極管模塊。常用的半導(dǎo)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(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為單管結(jié)構(gòu)、雙管串聯(lián)結(jié)構(gòu)、雙管共陰極結(jié)構(gòu)和雙管共陽極結(jié)構(gòu)等幾種。單二極管模塊、雙二極管模塊的內(nèi)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(gòu)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(gòu)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(nèi)部電原理圖。

圖2-12所示為三相半橋二極管整流模塊的內(nèi)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(jié)構(gòu)。該模塊不能單獨(dú)構(gòu)成整流電路。一個(gè)三管共陰極連接的模塊與一個(gè)三管共陽極連接的模塊組成一個(gè)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(gè)三管共陽極連接的晶閘管模塊，則可構(gòu)成一個(gè)三相半控橋。同樣，三管共陽極連接的二極管模塊換成一個(gè)共陰極連接的晶閘管模塊，也可構(gòu)成一個(gè)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(wǎng)平衡造成不利的影響，所以，在大功率整流設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。圖2-14所示為三相全橋二極管整流模塊的內(nèi)部電路原理圖。