第2章 软开关技术常用的有源电子器件

软开关技术常用的电子元器件种类比较多，大体上可以分为无源元件和有源器件两种。无源元件主要包括电阻、电容和电感。有源器件包括二极管、晶闸管、三极管。二极管包括普通二极管、整流二极管、快速二极管、稳压二极管等。三极管有半导体三极管、大功率三极管、VMOS场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。晶闸管也有多种类型。本章介绍几种常用的有源器件：半导体二极管、半导体三极管、大功率巨型三极管（GTR）、VMOS功率场效应晶体管（Power MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（InsulateclGateBipolarTransistor, IGBT）。

2.1 半导体二极管

2.1.1 半导体二极管工作原理及技术参数

半导体二极管是由一个PN结加上相应的引线和管壳做成的。由于二极管所用的半导体材料不同，有锗二极管、硅二极管和砷化镓二极管之分。二极管的PN结有点接触型、面接触型和平面型三种结构。由于点接触型PN结的面积很小，不能承受高的反向电压和大的电流，但极间电容很小，适用于高频信号的检波、脉冲电路和微小电流的整流。平时我们所用的检波二极管就属于此类。面接触型二极管，由于PN结面积大，能承受较大的电流，适用于整流二极管。平面型则多用于开关、脉冲和超高频。

1．半导体二极管的伏安特性

半导体二极管最主要的特性为单向导电。在二极管两端施加正向电压时，二极管呈现的电阻很小，可以通过很大的电流。反之，在二极管两端施加反向电压时，二极管呈现的电阻很大，流过的电流很小。反映二极管电流随电压变化的关系曲线称为二极管的伏安特性曲线，如图2-1所示。它可以通过实测的方法描绘出。根据固体物理中有关PN结的研究，二极管的正向电流可以用下式表示：

式中 I——二极管正向电流；

IS——二极管反向饱和电流；

T——热力学温度，单位为K。例如，在室温25℃时，T=273+25=298K；

q——电子电荷量，等于1.602 × 10-19库仑；

k——玻耳兹曼常量，等于1.38×10-23J/K；

u——正向电压；

e——自然对数的底。

2．半导体二极管的主要参数及其定义

各类二极管由于作用不同，其技术参数的侧重点也有差异，下面以开关电源最常用的硅整流二极管、硅开关二极管为例进行论述。

1）硅整流二极管的主要参数

（1）额定正向整流电流IF（平均值）：在规定的使用条件下，在电阻性负载的正弦半波整流电路中，允许连续通过硅整流二极管的最大工作电流。

（2）正向电压降UF（平均值）：硅整流二极管通过额定正向整流电流时，在二极管两极间产生的电压降。

（3）反向漏电流IB（平均值）：硅整流二极管在正弦半波最高反向工作电压下的漏电流。

（4）最高反向工作电压UR（峰值）：等于或小于三分之二的硅整流二极管的击穿电压值。

（5）击穿电压UB（峰值）：硅整流二极管的反向为硬特性时，其反向伏安特性曲线急剧弯曲点的电压值；如果为软特性，则其值为给定的反向漏电流下的电压值。

（6）额定结温TjM（℃）：硅整流二极管在规定的使用条件下所允许的最高结温。

2）硅开关二极管的主要参数

（1）最大正向电流IM：在额定功率下，允许通过二极管的最大正向脉冲电流。

（2）额定正向电流IF：在额定功率下，允许通过二极管的最大正向直流电流。

（3）正向电压降UF：开关二极管通过正向电流时，在二极管两极间产生的电压降。

（4）击穿电压UB：二极管的反向伏安特性曲线急剧弯曲点的电压值。

（5）最高反向工作电压UR：通过二极管的反向漏电流为IR时，在二极管两极间产生的电压降。

（6）反向漏电流IR：在二极管两端加上反向工作电压UR时，通过二极管的电流。

（7）额定功率PM：二极管结温不高于150℃时所能承受的最大功率。

（8）二极管零偏电容Co：在零偏压下，二极管两端的电容。

（9）反向恢复时间trr：二极管由正向导通状态急剧转换到截止状态，从输出脉冲下降到零开始到反向脉冲电流至最大反向电流的10%所需的时间。

2.1.2 快恢复二极管

在开关电源中，除了整流器外，二极管大多工作在高频开关状态，因此二极管的动态开关特性就十分重要，其中主要是正向特性和反向恢复特性。使用中要求二极管正向瞬态电压降小，反向恢复时间短、反向恢复电荷少，并具有软恢复特性。

1．快恢复二极管的开关特性

1）导通特性

快恢复二极管的导通有一个过程，导通初期出现较高的瞬态压降，经过一定时间后才能处于稳定状态，并具有很小的管压降。这就是说，二极管导通初期不能立即响应正向电流的变化。图2-2所示为二极管导通特性的曲线。图2-2（a）所示为管压降随时间变化的曲线，其中Ufp为正向峰值电压，tfr为正向恢复时间。图2-2（b）所示为二极管导通电流的波形，电流上升率用diF/dt表示。由图可知，正在导通的二极管具有比稳态电压大得多的峰值电压Ufp。

导通时二极管呈现的电感效应，除了器件内部机理的原因之外，还与引线长度、器件封装采用的材料和外电路等因素有关。电感效应对电流的变化率最敏感，因此，导通时二极管电流的上升率diF/dt越大，峰值电压Ufp就越高，正向恢复时间也越长。与其他半导体器件相似，结温的增加使导通特性变差，即随着结温的增加，正向恢复时间tfr和峰值电压Ufp也增加。

2）关断特性

正在导通的二极管突然施加反向电压时，反向关断能力的恢复需要经过一段时间。在未恢复关断能力之前，二极管相当于短路状态，这是一个很重要的特性。全部恢复过程如图2-3所示。图中IR M为最大反向恢复电流，Q1、Q2为反向恢复电荷，trr为反向恢复时间。这几个参数在电路设计中是最重要的。下面讨论反向恢复过程。

由图2-3可知，从时间t=tf开始，给已经导通的二极管施加反向电压UR，反向恢复电流irr开始流通，原来导通的正向电流IF就以diF/dt的速率减小。这个电流变化率由反向电压和开关电路中的电感决定，即

diF/dt=-UR/L

当t=t0时，二极管中的电流等于零。在这之前二极管处于正偏置，电流为正向偏置，电流开始反向。

在t=t1时刻，电荷Q1已被抽走，反向电流已达到最大值IRM，二极管开始恢复关断能力。在这一时刻之前，电源电压由线路电感上的电压来平衡，但在电流最大值IRM时，diF/dt=0，电感电压等于零，电源电压由二极管上的电压来平衡。

在t＞t1之后，反向恢复电流迅速下降，其下降速率dirr/dt较高，在线路电感中产生较高的电动势。这个电动势与电源电压一同加在二极管上，所以二极管承受很高的反向电压URM。

在t=t2之后，dirr/dt逐渐减小为零，电感电压等于零，二极管承受电源电压UR。这时电荷Q2也被抽空。二极管处于承受静态反向电压阶段。

影响反向恢复过程长短的主要因素是反向恢复电荷，即在反向恢复过程中抽走的总电荷量QR。QR可由下式求出：

QR是一个很重要的参数。若QR少，则反向恢复时间trr短。这是快恢复二极管与普通整流二极管的根本区别之处。

反向恢复电荷QR与二极管正向电流、diF/dt及结温有关。正向电流和电流变化率增加， QR增加。因为结温增加之后，载流子寿命增加，所以QR也增加。

二极管反向恢复期间，在二极管内消耗的能量由下式决定：

式中，前一项由电荷QR决定；后一项由电感L中的储能决定。由此看来，反向恢复损耗与二极管的反向恢复电荷密切相关。为了减小损耗，应该选用QR小的二极管。若QR小，则反向恢复时间trr=t2-t0也小。trr是快恢复二极管的一个动态参数，在使用中应注意选择。

反向恢复电流的下降速度dirr/dt也是一个重要参数。若dirr/dt过大，由于线路存在电感L，则会使反向峰值电压URM过高，有时出现强烈振荡，致使二极管损坏。可用软特性和硬特性的概念来表示dirr/dt对反向特性的影响。特性的软硬度用“软因子”来衡量，软因子Sr的定义为

Sr=（t2-t1）/（t1-t0）

式中，t2由电流irr在IRM/4处的投影来决定，如图2-4所示。软因子也有用URM/UR的大小或IRM点两侧的斜率来表示的。

图2-4（a）所示为Sr=0.3的硬特性器件的电流曲线，图2-4（b）所示为Sr=0.8的软特性器件的电流曲线。实际应用时要选用Sr大的二极管。若Sr大，二极管承受的反向峰值电压URM则小。

目前有PN型和PIN型两种结构的快速恢复整流二极管。在同等容量下PIN型结构具有导通压降低，反向快速、恢复性能好的优点。不足之处是PIN型二极管具有硬恢复特性，而PN型结构则具有软恢复特性。实现使用时可根据应用条件进行选择。

2．肖特基二极管

肖特基二极管也属于快恢复二极管，这种二极管用金属层沉积在N型硅的薄外延层上，利用金属和半导体之间接触势垒获得单向导电作用，接触势垒相似于PN结。肖特基二极管的整流作用仅决定于多数载流子，没有多余的少数载流子复合问题，恢复时间仅是势垒电容的充、放电时间。故其反向恢复时间远小于相同定额的结型二极管，而且与反向di/dt无关。肖特基二极管正向电压降比结型二极管小，典型值为0.55V。但其漏电流比结型二极管高。它的电流定额从1A到300A，电压定额最高为100V。

1）肖特基二极管的工作原理与内部结构

（1）工作原理

肖特基二极管也称为势垒二极管，其原理是它和其他PN结二极管有着完全不同的物理结构。它是以金、银、铝或铂等贵金属作为正极A，以N型半导体晶片作为负极K的二极管，其结构原理如图2-5所示。

在图2-5中，肖特基二极管利用贵金属与N型半导体二者欧姆接触面上所形成的“势垒”，是具有整流特性而制成的贵金属/半导体器件。因为N型半导体中存在着大量的电子，贵金属中仅有极少量的自由电子，所以电子便从浓度高的N型半导体中向浓度低的贵金属中扩散，显然贵金属中没有空穴，也就不存在空穴自贵金属向N型半导体的扩散运动。随着电子不断从N型半导体扩散到贵金属，N型半导体表面电子浓度的“中性”被破坏，于是就形成“势垒”，其电场方向为N型半导体→贵金属。但在该电场的作用下，贵金属中的电子也会产生从贵金属→N型半导体的漂移运动，从而削弱了由于扩散运动而形成的电场。当建立起一定宽度的空间电荷区后，电场引起的电子漂移运动和浓度不同引起的电子扩散运动达到相对的平衡，便形成了肖特基“势垒”。

（2）肖特基二极管的内部结构

由图2-6所示引脚式肖特基二极管与贴片式肖特基二极管的内部典型结构可见，肖特基二极管的内部电路结构是以N型硅半导体为基片，在其基片上面形成用砷（As）做掺杂剂的N-外延层；阳极贵金属层（阻挡层），图2-6（a）采用的是金属材料钼（Mo），图2-6（b）则采用的是金属材料铝（Al）；周围的二氧化硅（SiO2）用来消除边缘区域的电场，以提高管子的耐压值。N型硅基片具有很小的通态电阻，其掺杂浓度较N-外延层要高出几十倍。这样在N型硅基片的下面，便形成N+阴极层，其作用是减小欧姆接触阴极金属的接触电阻。

通过调整结构参数，可在阳极贵金属与N型硅基片之间形成合适的肖特基势垒，当外部施加正向偏压时，贵金属与N型硅基片分别接正向电压的正极与负极，此时，势垒宽度将变窄，其内阻变小；反之，若外部施加负向偏压时，贵金属与N型硅基片分别接负向电压的负极与正极，此时，势垒宽度就增加，其内阻变大。

（3）肖特基二极管内部结构安装工艺

近年来，采用硅平面工艺制造的铝（Al）-硅肖特基二极管已经问世，这不仅可使贵金属节省开支，大幅度地降低成本，还改善了产品参数的一致性。

肖特基二极管内部结构的安装工艺如图2-7所示。

由图2-7所示肖特基二极管内部结构的安装工艺图可见，其正极依靠一个具有弹性的金属触针与贵金属可靠接触；而与N型硅基片下面欧姆接触的负极则是由金属支架引出。

综上所述，可明显得出一个结论：肖特基二极管的内部结构及其结构原理与一般PN结型二极管有很大的区别。所以，通常将一般PN结整流管称做“结整流管”；而把贵金属N-型硅半导体整流管称为“肖特基整流管”。

2）肖特基二极管的结构外形

（1）肖特基二极管的封装形式

肖特基二极管的封装形式有引脚式封装和贴片式封装两种；这两种封装形式中又有单管式（单二极管）封装和双管式（双二极管）封装两种封装形式；双管式形式中又分为共阴极式（两管的负极短路连接）、共阳极式（两管的正极短路连接）、串联式（一只二极管的正极接另一只二极管的负极）三种引脚引出方式。

（2）肖特基二极管的结构外形

引脚式肖特基二极管的各种结构外形及内部电路如图2-8所示。

贴片式肖特基二极管的各种结构外形及内部电路如图2-9所示。

2.1.3 二极管模块

随着电力电子技术的发展，模块化技术应运而生。器件的模块化是将多个功能相同或功能不同的器件组装在一起，构成一个功能模块。出现最早的模块就是半导体二极管模块。常用的半导体二极管模块有单二极管模块、双二极管模块、单相全桥二极管整流模块、三相半桥二极管整流模块、三相全桥二极管整流模块等。

单二极管模块、双二极管模块按内部结构可分为单管结构、双管串联结构、双管共阴极结构和双管共阳极结构等几种。单二极管模块、双二极管模块的内部电原理图如图2-10所示。

利用单二极管模块、双二极管模块可以很灵活地构成各种类型的单相整流电路和三相整流电路，与晶闸管模块一起构成各种类型的单相半可控整流电路、三相半可控整流电路。

图2-11所示为单相全桥二极管整流模块的内部电原理图。

图2-12所示为三相半桥二极管整流模块的内部电原理图。从图中可以看出，它有三管共阴极连接和三管共阳极连接两种结构。该模块不能单独构成整流电路。一个三管共阴极连接的模块与一个三管共阳极连接的模块组成一个三相全桥二极管整流桥，如图2-13所示。如果将图中的三管共阴极连接的二极管模块换成一个三管共阳极连接的晶闸管模块，则可构成一个三相半控桥。同样，三管共阳极连接的二极管模块换成一个共阴极连接的晶闸管模块，也可构成一个三相半控桥。

三相全桥二极管整流模块用于三相整流电路中，不会对电网平衡造成不利的影响，所以，在大功率整流设备中得到广泛的应用。图2-14所示为三相全桥二极管整流模块的内部电路原理图。