器件应用

2024-05-05

器件应用（精选十篇）

器件应用篇1

电致变色(Electrochromism,简写为EC)材料在外电场或电流作用下可发生可逆的光吸收或光散射,从而产生可逆的颜色变化,采用该材料所制备的光电器件称为电致变色器件(Electrochromic devices,简写为ECDs)。自从S.K.Deb于1969年首次发现WO3薄膜的电致变色现象以来,人们逐渐发现和制备了很多具有电致变色性能的材料,使电致变色材料在显示器件、汽车、军事伪装、智能材料、节能建筑材料等领域具有十分广阔的应用前景[1,2]。

1 电致变色器件的结构与制备

电致变色器件的核心为电致变色材料,在不同的氧化还原状态下显示不同的颜色。图1为典型的层状电致变色器件,由2个氧化铟锡透明导电玻璃(ITO玻璃)作电极,两电极之间由电致变色薄膜层、离子存储层和离子导电层(溶液、凝胶或固体电解质)构成[3]。离子导电层可以是电解质溶液、具有离子导电性的凝胶或聚合物薄膜。电致变色层是通过真空蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积、溶胶凝胶法、电化学沉积、溶液浇注、喷涂或旋涂等方法制备的具有电致变色性能的无机或有机膜材料。离子存储层一般为金属氧化物(如Ni O或Ir O2)或有机薄膜,一些器件的制备中也选择能与另一侧电致变色层形成颜色和透过率互补的具有一定电致变色性能的膜材料。电致变色器件一般施加1 V-2 V直流电压便可产生颜色和透过率的变化,变化发生后断开电源,其颜色状态可以保持,直到施加另一电压达到另一状态。

2 电致变色器件应用原理

经过几十年的发展,一些电致变色器件已经研制成功,有的还处于实验室阶段。电致变色器件的功能主要表现为透射可调、反射可调、信息显示和辐射可调,如图2所示[4]。相对应的器件大致可以分为节能智能窗、汽车防眩后视镜、电致变色显示器、电磁辐射屏蔽器等。下面就部分器件的工作原理、性能及其结构进行介绍。

3 电致变色器件的应用

3.1 电致变色节能智能窗

采用电致变色材料制备出大面积的可用于建筑窗户或者汽车天窗的器件被称为智能窗(Smart Window),其工作原理如图2(a)所示,能够根据使用者的需要调节内部的光线。它有两种基本结构[5]:一种是夹层式,即在两层透明导电玻璃上的变色层和存储层之间注入一层聚合物离子导体层;另一种是单片式结构,即在导电玻璃衬底上依次镀上离子存储层、离子导体层、电致变色层和透明导电层。这两种结构均可在通以小电压(1 V~5 V)的情况下发生褪色(光透射率>60%)和着色(光透<15%)的可逆变化,从而动态的调节室内的光热性能,节约了因为加热或冷却室温而消耗的大量电能,也充分得利用了太阳能,使室内变得舒适。美国Gentex公司制造出了1×2 m2的大面积智能窗(图3)[

3.2 电致变色显示器

电致变色显示器是采用电致变色材料为显色基材所制备的显示器件,与其它显示器相比具有无视盲角、对比度高,易实现灰度控制、制造方便、工作温度范围宽、驱动电压低、色彩丰富等优点。但目前由于电致变色材料的响应时间太长,电致变色显示器并没有大规模的投入市场。为了解决响应时间问题,Cummins等人[7]报道了一种使用纳米晶材料的变色器件,只要提供1.2V的电压就可以使之变色,其颜色转换时间达到250 ms。变色机理是使紫精还原而变成蓝色;使吩噻嗪(phenothiazine)氧化成红色,从而使器件呈现蓝红色。Gratzel认为这种器件拥有极其快速的响应是因为纳米晶金属氧化物同变色材料间快速的电荷转移以及孔隙中电解质离子的快速平衡[8]。这种器件循环上千次性能也不会降低,而且在被提供的电压撤除时颜色仍然能维持600 s以上,其结构和器件如图4所示。

4 结语

电致变色材料除了能应用于以上领域外,一些关于雷达吸波材料、电色印刷技术、红外发射器件等方面的应用也引起了研究人员的广泛兴趣。作者认为在众多电致变色器件的应用领域中,电致变色节能智能窗将有很好的应用前景和价值。

参考文献

[1]Deb S K.A novel electrophotographic system[J].Applied Optics Sup-plement,1969,3:192-195.

[2]SomaniPR,RadhakrishnanS.Electrochromicmaterialsanddevices:pre-sentandfuture[J].Mater.Chem.Phys.,2002,77:117-113.

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[4]Veszelei M M,Vaivars G,Granqvist C G,et al.Recent advances inelectrochromics for smart windows applications[J].Sol.Energy,1998,63:199-216.

[5]Agrawal A,Cronin J P,Zhang R.Review of solid state electrochromiccoatings produced using sol-gel techniques[J].Sol.Energy Mater.Sol.Cells,1993,31:9-21.

[6]Rosseinsky D R,Mortimer R J.Electrochromic systems and theprospects for devices[J].Adv.Mater.,2001,13:783-793.

[7]Cummins D,Boschloo G,Ryan M,et al.Ultrafast electrochromic win-dows based on redox-chromophore modified nanostructured semi-conducting and conducting films[J].J.Phys.Chem.B,2000,104:11449-11459.

[8]Gratzel M.Ultrafast colour displays[J].Nature,2001,409:575-576.

18_功率半导体器件应用教学大纲篇2

课程编号：

课程名称：功率半导体器件应用/ Applications of Power Semiconductor Devices 课程总学时/学分：48/3.0

（其中理论36学时，实验12学时）适用专业：电子科学与技术专业

一、教学目的和任务

功率半导体器件应用是电子科学与技术本科专业必修的一门专业核心课程。

功率半导体器件应用讲述功率器件（分立的和集成）的结构、功能、特性和特征，在此基础上分析当前电力电子技术中使用的各种类型功率半导体器件，包括功率晶体管、晶闸管、各类晶闸管及其应用、静电感应功率器件、双极-MOS功率器件，并包含了可靠工作条件，更进一步讲述其重要应用。根据电子科学与技术本科专业的特点和应用需要，在掌握功率半导体器件基本原理的基础上，使学生对功率半导体器件的应用有一个全面而系统的认识，并培养学生在工程实践中的应用能力，提高学生的创新能力。

二、教学基本要求

通过对计算机控制技术课程的学习，要求学生：

（1）了解如何使用和选择功率半导体，以及半导体和PN结的物理特性以及功率器件可靠工作的条件。

（2）熟悉功率器件的可靠工作条件以及在电力电子中的应用。

（3）掌握功率晶体管、晶闸管、各类晶闸管及其应用、金属-氧化物-半导体场效应功率晶体管、双极-MOS功率器件的结构、功能及其应用。

（4）掌握功率晶体管、晶闸管、各类晶闸管及其应用、金属-氧化物-半导体场效应功率晶体管、双极-MOS功率器件的结构、功能及其应用。

三、教学内容与学时分配

第一章（知识领域1）：功率半导体器件应用概述（2学时）。

（1）知识点：轨道交通系统中的应用；新能源技术中的应用；智能电网中的应用。（2）重点与难点：重点是轨道交通系统中的应用、新能源技术中的应用和智能电网中的应用。

第二章（知识领域2）：双极结型功率晶体管（2学时）。

（1）知识点：双极结型晶体管结构的基本特性；功率晶体管的基本特性；功率晶体管的动态行为；功率达林顿组合；功率晶体管的应用。

（2）重点与难点：重点是功率晶体管的动态行为和功率晶体管的应用。第三章（知识领域3）：开关断晶闸管（GTO）：基本工作原理（4学时）。

（1）知识点：稳态工作；用以分析晶闸管开关工作的双晶体管模型；开通的瞬态过程；关断的瞬态过程。

（2）重点与难点：重点是稳态工作和用以分析晶闸管开关工作的双晶体管模型。重点是开通的瞬态过程和关断的瞬态过程。

第四章（知识领域4）：金属-氧化物-半导体场效应功率晶体管（4学时）。

（1）知识点：MOS晶体管的工作原理；纵向功率MOSFET的设计；功率MOSFET的开关特性；安全工作区（SOA）。

（2）重点与难点：重点是MOS晶体管的工作原理、纵向功率MOSFET的设计和功率MOSFET的开关特性。难点是MOS晶体管的工作原理、纵向功率MOSFET的设计。

第五章（知识领域5）：绝缘栅双极晶体管（IGBT）（4学时）。

（1）知识点：IGBT的结构和工作原理；IGBT的准数值分析模型；IGBT的等效电路模型；IGBT的开关特性和温度效应。

（2）重点与难点：重点是IGBT的结构和工作原理、IGBT的准数值分析模型。难点是IGBT的等效电路模型和开关特性。

第六章（知识领域6）：MATLAB(PLECS)仿真软件（2学时）。（1）知识点：MATLAB(PLECS)软件的使用方法。

（2）重点与难点：重点是MATLAB(PLECS)软件的使用方法。第七章（知识领域7）：电源变换和控制技术（4学时）。

（1）知识点：交流到交流的变换；逆变器；非隔离型直流到直流变换器；变压器隔离型直流到直流变换器；半导体功率器件的驱动与保护电路。

（2）重点与难点：重点是交流到交流的变换；逆变器；非隔离型直流到直流变换器；变压器隔离型直流到直流变换器。难点是交流到交流的变换、逆变器和非隔离型直流到直流变换器。

第八章（知识领域8）：轨道交通系统中的应用（6学时）。

（1）知识点：轨道交通牵引理论概述；牵引电动机与运行；IGBT在轨道交通牵引系统斩波电路与逆变电路中的应用。

（2）重点与难点：重点是IGBT在轨道交通牵引系统斩波电路与逆变电路中的应用。第九章（知识领域9）：新能源技术中的应用（4学时）。（1）知识点：新能源转换与控制技术概述；太阳能电池与光伏发电原理；光伏阵列并网逆变器的结构与控制策略。

（2）重点与难点：重点是太阳能电池与光伏发电原理。难点是光伏阵列并网逆变器的结构与控制策略。

第十章（知识领域10）：智能电网中的应用（4学时）。（1）知识点：智能电网的概念；智能电网中的多电平逆变器。（2）重点与难点：重点是智能电网中的多电平逆变器。

四、教学方法及手段

本课程要采取知识与能力并重的教学方法。

1．课堂教学：实行启发式教学，主要突出重点、难点。主要抓住功率半导体器件的结构功能及应用重点教学，在教学过程中注重引入实例。

2．实验教学：基于Silvaco TCAD仿真软件，模拟半导体器件电学性能，和半导体工艺流程仿真，基于MATLAB(PLECS)软件，仿真功率半导体电路，加强学生实践动手能力的培养。

3．采用多媒体教室、校园网络等现代教学手段，提高教学效率和质量。

五、实验或上机内容

实验一：绝缘栅双极晶体管仿真，2学时。实验目的：掌握IGBT原理和特性，并会使用Silvaco软件仿真IGBT器件。实验内容与方法：学会Silvaco仿真半导体器件的方法，用altlas语句模拟IGBT的二维器件，并给出器件特性的数值分析。

实验二：可控整流电路仿真，2学时。实验目的：掌握MATLAB(PLECS)进行可控整流电路设计和仿真的方法。实验内容与方法：用MATLAB(PLECS)设计可控整流电路，并给出输入输出时域波形分析。

实验三：DC-DC变换电路设计和仿真，4学时。实验目的：掌握MATLAB(PLECS)进行DC-DC变换电路设计和仿真的方法。实验内容与方法：用MATLAB(PLECS)设计DC-DC变换电路，并给出电流、电压变化曲线和效率曲线。

实验四：逆变器电路设计和仿真，4学时。实验目的：掌握MATLAB(PLECS)进行逆变器电路设计和仿真的方法。实验内容与方法：用MATLAB(PLECS)设计逆变器电路，并给出出电流、电压变化曲线和效率曲线。

六、先修课程、后续课程

先修课程：模拟电子技术及实验，数字电子技术及实验，半导体物理学，功率半导体器件基础，电力电子学后续课程：功率半导体器件应用课程设计。

七、考核方式

本课程的考核包括知识考核和能力考核，采用期末考试与平时考核相结合的方式。计分方式：期评成绩=期末考试成绩*70%+平时成绩*30%。

八、教材及主要参考资料

防雷元器件的性能及应用技术篇3

关键词：防雷元器件；性能；应用技术

中图分类号：TM862 文献标识码：A 文章编号：1006—8937（2012）23—0144—02

防雷元器件主要作用是将线路中感应雷击浪电流泄放到大地，使被保护设备的浪涌电压能限制在被允许的安全电压下。因此，防雷元器件在设计过程中就应该根据可能遇到的雷击电涌电流大小进行相应设计，以便使防雷元器件性能能更好满足实际需求。为了更好保证防雷电器安全，防雷元器件性能好坏将直接影响整个防雷系统的性能和可靠性。为了使防雷元器件更好的在实际应用中发挥其应有作用，除了对其性能进行分析外，还应该对其应用技术进行相应分析。

1 设备被雷击中途径分析

因防雷元器件是为了保护电子设备免受雷电产生的电磁脉冲和过电压影响而设计的。而要想更好对防雷元器件性能进行分析，有必要对设备被雷击中途径进行相应分析。当雷电产生时，雷电会直击会地面物体，或通过空中雷云间放电感应产生电磁场，并在设备或传输线上产生雷电过电压，从而使设备或传输线路受损。相关统计显示，因雷电直击或空间感应而引发的设备、线路损事故是比较少的，而雷电行波从室外的传输线引入室内造成设备和线路损坏事故比较多。而室外传输线主要包括输入信息的金属线和馈电交流线路等。其中传输信息的线路主要有架空线路、埋地线路和钢轨等相似传导体。架空线一般为通信明线、架空电厂缆线或相似线路、埋地线则主要包括电缆和光缆。在这种情况下，就应该在设备中装上防雷元器件，以避免设备被雷击中，而使设备无法正常运行。而要想使防雷元器件在设备中更好发挥其作用，还需要防雷元器件性能进行相应分析。

2 防雷元器件性能分析

过压保护元件实际应用中的作用是将雷电冲击能量尽可能的泄掉，以免过电压进入设备内部而造成设备损坏。在实际应用过程中，为了保证设备安全，避免设备损坏现象出现，过电压元器件必须具备能承受冲击能力，尽可能保证元器件在强大雷电流冲击下仍能保证设备正常运行。其也应该具备瞬间应付过电压并保证残压在设备安全电压范围内，以避免不必要的安全隐患。同时电压元器件本身也应该具有较高的稳定性和可靠性，即便多次受电压冲击，也能始终保持其性能。而要想使上述性能得以保证，还应该对开关元件、限压元件和防过热和过流元件进行分析。

2.1 开关元件分析

开关元件一般包括陶瓷气体放电管、玻璃放电管和半导体过压保护器。这三种类型的最大优势是开关元件导通前，其全部处于开路状态，电阻较大且少有漏电流，导通后，就会处于短路状态，即便压降较小，也可以通过较大的电流。而三种类型开关元件各有优势。开关元器件类型中除了一些半导体过压保护外，其都具有双向特性。而陶瓷气体放电管和玻璃放电管的电容相对较小。电压速度来说，玻璃放电管和半导体过压保护器的影响速度比较快，甚至达到ns量级。玻璃放电管的击穿电压则是这三类开关元件最高的，虽然半导体过压保护器击穿电压不如玻璃放电管高，但是其穿击电压准确性是较高的。然而开关元件三种类型有优势的同时，也有劣势，尤其是陶瓷体放电管。因电气电离需要一定时间，其反应速度相对于其他开关元件类型说，影响速度较慢。这就使得其在开通之前，就有较大漏电流。同时，玻璃放电管击穿性能和分散性也比较大，击穿过程中只有几个特定值，使防雷元器件实际工作中无法满足设备需求。

2.2 对限压元件进行分析

限压元件主要包括压敏电阻和TVS管。这两类限压元件在实际应用过程中，有着和二极管一样的限压性能。如果导通电压大于外压电压时，其内阻机会很大，其漏电流也相对较小。如果导通电压小于外加电压时，其内阻就会变小，其电流也会随之增大，甚至产生较大的过电流。即便电流较大，对设备两端电压的影响也并不是很大，只有小幅度的上升。同时这两种限压元件也具有低压到高压系列值，可以在多种电压电路中使用。但因这两种限压元件电容相对较大，不能在高频电路中使用。压敏电阻作为硅化晶半导体过电压抑制器，是较为典型的过电压保护器。其在实际应用过程中是随着外加电压进行变化的非线性元件，和放电气管比较，其对冲击电压的影响速度更快。同时压敏电阻也能承受较大的浪涌电流，最大能承受上百kA浪涌电流。然而因压敏电阻漏电流较大，其分线性较差，即使较放电气管影响速度快，但是其限制大电流较高，其承受冲击能力将会随着冲击次数的增加而减弱，其老化程度也较快，与TVS管相比，压敏电阻反应速略逊一筹；而TVS管非线性性能与稳压管性能相似，其不仅具有动态电阻低、限制电压低优势，同时也有不易老化、使用寿命长和反应快等优势。然而TVB管在实际应用过程中，同流能力却较弱。

2.3 对防过流和防过热元件进行分析

防过流元件中应该有自恢复保险丝和电流保险丝、电阻，而防过热保护和过热检测元件则应该有温度保险管和温度保险丝。之所以要用自恢复保险丝是因为其属于温度系数热敏电阻。将其应用在防过流和防过热元件时，其电流可能会小于保持电流，这时的电阻也会随之变小。如果电阻超过触发电流，防过流和防过热元件阻值会也会随之增大，从而阻断雷电流入侵，当温度降低后设备将会自行恢复。但是也应该考虑其热惰性，一旦出现热惰性，就可能会使反应速度变慢。不管如何用自恢复保险丝代替电流保险丝，在一定程度上可以避免更换保险丝。当温度异常时，保险管开关也可以随时断开。

3 防雷元器件实际应用过程中应该注意的问题

①防雷元器件在实际应用过程中应该注意差模保护问题。开关元件在实际应用过程中，应该尽量避免与电路中的差模保护单独连接，以避免电源短路而使防雷系统不能更好发挥其作用。为了更好避免上述问题，在实际应用过程中，开关元件有必要与接限压元件结合在一起。

②防雷元器件在实际应用过程中应该注意浪涌电流问题。防雷元器件在实际应用过程中，其浪涌电流应该控制在脉冲峰值之内，并在选择压敏电阻之后，以元器件特性为依据进行选择，以保证设备正常运行。

③防雷元器件在实际应用过程中应该注意穿击电压问题。防雷元器件在实际应用过程中，应该对差模防雷元器件击穿电压进行限制，其最小电压不应该超过最高电路电压，而起限制电压则不能超过最高安全电压，以免使元器件受损，而使设备无法正常运行。

4 防雷元器件设计及设计中应该采取的措施

4.1 防雷元器件设计

信号防雷器作为防雷元器件重要组成部分，其能更好的传输相应信息。因防雷元器件是为了将雷击浪涌引入地下，使设备免于过电压而进行相应设计的。而信号防雷器一般是由双线传输线和普通多莘芯电缆和同类电缆等组成。因此，在设计过程中，应该以雷击浪涌电流为依据，采用两级或单级信号防雷器进行相应设备保护。同时也要对单元电路中的过压和过流进行相应保护；为了使设计更好的发挥其作用，应该采取相应保护措施，以强化防雷元器件保护。

4.2 防雷元器件设计中应该采取的措施

在设计过程中，首先应将设备电路接好，并以增大流负反馈形式来对晶体管过流进行限制。设计中也应该在上面装上滤波器等分割部件，这样不仅不影响设备工作，同时也能通过提高高通滤波器的截频降低低通滤波器的载频，以保证阻带衰耗；在不影响正常工作的情况下，也可以在电路中串入限流电阻和并联电容器，以便更好的对过流及旁路过电流进行限制；为了保证设计质量，也应该尽量缩小元件引线，并将防雷元器件直接安装在需要保护的设备上；而在易受浪涌冲击的电路中，应该选用碳膜电阻，而不用耐力较差的金属膜电阻；也应该对高频电路中使用的稳压管进行相应保护。在设计中应该对电容值对工作状态的影响进行相应分析，如果相应结电容量的随端电压改变而变化，其反偏电压就越大，其结电容量就越小，而令偏压时则最高。在这种情况下，就应该以实际电路对电容要求为依据，将稳压管一端偏执电压，以保护电容，从而保证防雷元器件顺利运行。

5 结语

微电子技术的发展，使得大规模集成电路相继出现并广泛应用在通信、测量、计算机等领域。虽然这类大规模集成电路的出现为电子设备带来了方便，但是在实际应用过程中，其抗压能力和抗干扰能力却较低，易受雷电产生的电磁脉冲或是相应过电压的影响，而影响大规模集成电路性能的发挥，甚至使设备损坏。在这种情况下，就应采取相应措施，以避免上述问题出现。防雷元器件的出现，在一定程度上解决了上述问题，而要想使防雷元器件更好的发挥作用，还需要进一步提高防雷元器件性能。

参考文献：

[1] 杨大晟，张小青，王晓辉.一种控制系统用电源防雷保护器设计[J].高电压技术，2009，（11）.

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[3] 孙旭光，魏晴昀，余明友.朱忠尼大型多雷达阵地直击雷防护方案研究[J].空军雷达学院报，2008，（4）.

[4] 王锋吉，林眉，许丹，等.公璐地震台站的防雷技术探讨[J].地震地磁观测与研究，2008，（4）.

[5] 童敏，童迎世，童琼.防雷技术在湖南地震台站的应用[J].防灾科技学院学报，2010，（3）.

[6] 张栋.低压配电系统中SPD保护和配合的研究[D].上海：上海交通大学，2007.

碳化硅功率器件及应用篇4

碳化硅 (Si C) 半导体材料是自第一代元素半导体材料 (Si、Ge) 和第二代化合物半导体材料 (Ga As、Ga P、In P等) 之后发展起来的第三代半导体材料。作为一种宽禁带半导体材料, 碳化硅具有禁带宽度大、击穿场强高、热导率大、载流子饱和漂移速度高、介电常数小、抗辐射能力强、化学稳定性良好等特点[1], 可以用来制造各种耐高温的高频大功率器件, 应用于硅器件难以胜任的场合, 或在一般应用中产生硅器件难以产生的效果。

2 碳化硅材料的特点

Si C材料的一个显著特点是同质多型, 制作器件最常用的是4H-Si C和6H-Si C两种。如表1所示[2], 和传统的半导体材料, 如Si、Ga As等相比, Si C材料具有更高的热传导率 (3~13倍) , 使得Si C器件可以在高温下长时间稳定工作;更高的临界击穿电场 (4~20倍) 和更大的载流子饱和速率, 有利于提高器件的工作频率。

3 Si C材料制备

Si C单晶的制备最常用的方法是物理气相传输 (PVT) , 大约占晶圆供应量的90%以上。此外, 高温化学气相淀积 (CVD) 也越来越重要, 该方法能产生极低杂质含量的晶锭。同时, 这两种方法均可应用于制备Si C外延。20世纪50年代Lely使用两层石墨舟, 使外层的坩埚加热到2500℃, Si C透过里层的多空石墨升华进入内层形成晶体。70年代后期, Tairrov和Tsvetkov对Lely法进行了改进, Si C源在石墨舟的底部, 底部温度达2200℃, 顶部温度较低并放置籽晶, 温度梯度为20~40℃/cm, 这种方法又称为PVT[3]。

由于Si C单晶的制备难度较大, 成本高, 因此Si C外延生长在Si C器件技术中举足轻重。对于不同的衬底, 生长Si C外延可以分为两种:以Si C为衬底的同质外延生长和以Si和蓝宝石为衬底的异质外延生长。自从较大直径的Si C晶片商业化后, Si C同质外延生长技术发展很快, Si C同质外延生长主要采用以下方法:升华或物理气相传输 (PVT) 、分子束外延 (MBE) 、液相外延 (LPE) 及化学气相淀积 (CVD) 。

分子束外延法将原材料进行蒸发并作为分子束进行传输, 最后到达经过预热、处于旋转状态的衬底。这种方法可以提供高纯质量、高精准厚度、低温 (600~1200℃) 的外延层。液相外延是一种相对比较简单而且成本较低的生长方法, 生长发生在三相平衡线上, 但这种方法对外延层表面形貌难以进行很好地控制, 进而限制了LPE的使用。

化学气相淀积法中, 衬底放在旋转同时被加热的石墨托盘上, 气相的分子束扩散到衬底表面并分解, 由衬底表面吸收后与表面反应, 形成外延层。这种方法目前是Si C衬底生产的主要外延工艺。

4 Si C功率器件及应用

Si C功率器件主要包括功率二极管 (SBD和Pi N等) 、单极型功率晶体管 (MOSFET、JFET和SIT等) 和双极型载流子功率晶体管 (BJT和GTO等) 。

4.1 功率二极管

肖特基势垒二极管 (SBD) 作为一种单极性器件, 在导通过程中没有额外载流子注入和储存, 因而基本没有反向恢复电流, 其关断过程很快, 开关损耗很小。由于碳化硅材料的临界雪崩击穿电场强度较高, 可以制作出超过1000V的反向击穿电压。在3k V以上的整流器应用领域, 由于Si C Pi N二极管与Si器件相比具有更快的开关速度、高结温承受能力、高电流密度和更高的功率密度, Si C Pi N二极管在电力设备、能量储备、超高压固态电源领域扮演更重要的角色。

4.2 单极型功率晶体管

碳化硅MOSFET的突出优势体现在:导通电阻小;低电容, 开关速度快;驱动电路简单;正温度系数易于并联。因而, 应用碳化硅MOSFET能够提高系统的效率, 降低散热需求, 提高开关频率且增加雪崩强度。这些优势决定了其在太阳能转换器、高压DC/DC变换器和电机驱动等领域中具有广阔的应用。由于Si C MOSFET存在沟道电子迁移率和Si O2层击穿的问题, 因此作为没有肖特基接触和MOS界面的单极器件Si CJFET就很有吸引力。Si CJFET有着优良的特性和结构和相对简化的制造工艺。Si C JFET产品分为常开沟道型 (normally-on) 和常闭沟道型 (normally-off) 两种, 其中常闭沟道型能够与现有的标准栅极驱动芯片相匹配, 而常开沟道型则需要负压维持关断状态。SIT (静电感应晶体管) , 主要用于从超高频到微波频率的大功率放大器和发射器、电源调节设备中的大功率转换。

4.3 双极型载流子功率晶体管

Si C双极型功率器件BJT因Si C临界雪崩击穿电场强度是Si的10倍, 而比Si BJT的二次击穿临界电流密度高100倍, 不会有Si BJT那样严峻的二次击穿问题, 此外, 临界雪崩击穿电场强度高这一材料优势也使Si CBJT在相同的阻断电压下可比Si BJT有较窄的基区和集电区, 这对提高电流增益β和开关速度十分有利, Si C BJT主要分为外延发射极和离子注入发射极BJT, 典型的电流增益在10~50之间。与碳化硅功率MOS相比, 对3kv以上的阻断电压, 碳化硅晶闸管的通态电流密度可以提高几个数量级, 特别适合高压大电流开关方面的应用。对碳化硅晶闸管的开发主要集中于GTO, 目前阻断电压最大的GTO器件, 阻断电压为12.7kv。

5 结束语

Si C材料的优良特性及Si C功率器件的巨大性能优势, 激励着人们不断地研究与开发, 随着大尺寸Si C晶圆生长技术和器件制造技术的的发展, Si C功率器件将在民用和军事方面得到更广泛的应用。

参考文献

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[2]黄京才, 白朝辉.碳化硅器件发展概论[J].山西电子技术, 2011.

器件应用篇5

ESD保护对高密度、小型化和具有复杂功能的电子设备而言具有重要意义。本文探讨了采用TVS二极管防止ESD时，最小击穿电压和击穿电流、最大反向漏电流和额定反向关断电压等参数对电路的影响及选择准则，并针对便携消费电子设备、机顶盒、以及个人电脑中的视频线路保护、USB保护和RJ-45接口等介绍了一些典型应用。

随着移动产品、打印机、PC，DVD、机顶盒(STB)等产品的迅速发展，消费者正要求越来越先进的性能。半导体组件日益趋向小型化、高密度和功能复杂化，特别是像时尚消费电子和便携式产品等对主板面积要求严格的应用很容易受到静电放电的影响。一些采用了深亚微米工艺和甚精细线宽布线的复杂半导体功能电路，对电路瞬变过程的影响更加敏感，将导致上述的问题更加激化。

ESD保护原理

电路保护元件存在几种技术，当选择电路保护元件时，若设计师选择不当的保护器件将只能提供错误的安全概念。电路保护元件的选择应根据所要保护的布线情况、可用的电路板空间以及被保护电路的电特性来决定。此外，了解保护元件的特性知识也非常必要，需要考虑的重要因素之一是器件的箝位电压。所谓箝位电压是在ESD器件里跨在瞬变电压消除器(TVS)上的电压，它是被保护IC的应变电压。

因为利用先进工艺技术制造的IC电路里氧化层比较薄，栅极氧化层更易受到损害。这意味

着较高的箝位电压将在被保护IC器件上产生较高的应变电压，并且增加了失效的概率。

很多保护元件都被设计成可吸收大量的能量，由于元件结构或设计上的原因也导致其具有很高的箝位电压。由于变阻器的箝位电压太高，他们不能够提供有效的ESD保护。此外，由于变阻器的高电容他们也不能给高速数据线路提供保护。TVS二极管正是为解决此问题而产生的，它已成为保护便携电子设备的关键性技术。

TVS二极管是专门设计用于吸收ESD能量并且保护系统免遭ESD损害的固态元件。如果应用得当，TVS二极管将限制跨在被保护器件上的电压刚好高过额定工作电压，但是却远低于破坏阈值电压。

TVS相关参数

处理瞬时脉冲对器件损害的最好办法是将瞬时电流从敏感器件引开。TVS二极管在线路板上与被保护线路并联，当瞬时电压超过电路正常工作电压后，TVS二极管便发生雪崩，提供给瞬时电流一个超低电阻通路，其结果是瞬时电流通过二极管被引开，避开被保护器件，并且在电压恢复正常值之前使被保护回路一直保持截止电压。当瞬时脉冲结束以后，TVS二极管自动回复高阻状态，整个回路进入正常电压。许多器件在承受多次冲击后，其参数及性能会发生退化，而只要工作在限定范围内，二极管将不会发生损坏或退化。

从以上过程可以看出，在选择TVS二极管时，必须注意以下几个参数的选择：

1.最小击穿电压VBR和击穿电流IR。VBR是TVS最小的击穿电压，在25℃时，低于这个电压TVS是不会发生雪崩的。当TVS流过规定的1mA电流(IR)时，加于TVS两极的电压为其最小击穿电压VBR。按TVS的VBR与标准值的离散程度，可把VBR分为5%和10%两种。对于5%的VBR来说，VWM=0.85VBR；对于10%的VBR来说，VWM=0.81VBR。为了满足IEC61000-4-2国际标准，TVS二极管必须达到可以处理最小8kV(接触)和15kV(空气)的ESD冲击，有的半导体生产厂商在自己的产品上使用了更高的抗冲击标准。对于某些有特殊要求的便携设备应用，设计者可以按需要挑选器件。

2.最大反向漏电流ID和额定反向关断电压VWM。VWM这是二极管在正常状态时可承受的电压，此电压应大于或等于被保护电路的正常工作电压，否则二极管会不断截止回路电压；但它又需要尽量与被保护回路的正常工作电压接近，这样才不会在TVS工作以前使整个回路面对过压威胁。当这个额定反向关断电压VWM加于TVS的两极间时它处于反向关断状态，流过它的电流应小于或等于其最大反向漏电流ID。

3.最大箝位电压VC和最大峰值脉冲电流IPP。当持续时间为20mS的脉冲峰值电流IPP流过TVS时，在其两端出现的最大峰值电压为VC。VC、IPP反映了TVS的浪涌抑制能力。VC与

VBR之比称为箝位因子，一般在1.2~1.4之间。VC是二极管在截止状态提供的电压，也就是在ESD冲击状态时通过TVS的电压，它不能大于被保护回路的可承受极限电压，否则器件面临被损伤的危险。

4.Pppm额定脉冲功率，这是基于最大截止电压和此时的峰值脉冲电流。对于手持设备，一般来说500W的TVS就足够了。最大峰值脉冲功耗PM是TVS能承受的最大峰值脉冲功耗值。在给定的最大箝位电压下，功耗PM越大，其浪涌电流的承受能力越大。在给定的功耗PM下，箝位电压VC越低，其浪涌电流的承受能力越大。另外，峰值脉冲功耗还与脉冲波形、持续时间和环境温度有关。而且，TVS所能承受的瞬态脉冲是不重复的，器件规定的脉冲重复频率(持续时间与间歇时间之比)为0.01%。如果电路内出现重复性脉冲，应考虑脉冲功率的累积，有可能损坏TVS。

5.电容量C。电容量C是由TVS雪崩结截面决定的，是在特定的1MHz频率下测得的。C的大小与TVS的电流承受能力成正比，C太大将使信号衰减。因此，C是数据接口电路选用TVS的重要参数。电容对于数据/信号频率越高的回路，二极管的电容对电路的干扰越大，形成噪声或衰减信号强度，因此需要根据回路的特性来决定所选器件的电容范围。高频回路一般选择电容应尽量小(如LCTVS、低电容TVS，电容不大于3pF)，而对电容要求不高的回路电容选择可高于40pF。

ESD应用

1.底部连接器的应用

底部连接器设计广泛应用在移动消费类产品上，目前市场上应用产品主要为移动电话、PDA、DSC(数码相机)以及MP3等便携产品。

由于是直流回路，可选用高电容器件。此端口可能会受到高能量的冲击，可以选用集成了TVS和过流保护功能的器件。如图1所示，是便携产品的底部连接器保护电路的示意图，其中的数据线保护IC为NZQA5V6XV5T1、NZQA6V2XV5T1、NZQA6V8XV5T1、NZQA8V2XV5T1、NZQA5V6AXV5T1、NZQA6V8AXV5T1、MSQA6V1W5T2、SMF05T1和NSQA6V8AW5T2。以上产品都带4个单相独立线路ESD保护，其中MSQA系列、NSQA系列和SMF05的封装形式是SC-88A，NZQA系列的封装形式是SOT-553。其中NZQA5V6XV5是5.6V单向式TVS保护器件；NZQA6V2XV5是6.2V单向式TVS保护器件；NZQA6V8XV5是6.8V单向式TVS保护器件；NZQA6V8AXV5是6.8V单向式、低电容TVS保护器件；NUP4102XV6是14V双向式、低电容TVS。这些SOT5xx封装的TVS器件均针对260℃回焊温度处理工艺生产，符合100%无铅和静电放电保护的要求，比传统的SC88封装减少电路板空间达36%，降低厚度40%，适合用于对电路板空间要求严格的便携设备，如手机、数码相机、MP3播放器。RJ-45(10/100M以太网网络)RJ-45接口广泛应用在网络连接的接口设备上，典型的应用就是10/100M以太网网络。

如图2所示，RJ-45数据线保护主要应用了安森美公司的低电容瞬态电压抑制二极管--SL05，工作电压是5V。实际上该公司有一系列的SLXX产品，产品从SL05到SL24，工作电压覆盖5V、12V、15V、24V。符合IEC 61000-4-2(ESD)15kV(空气)8kV(接触)/IEC 61000-4-4(EFT)40A(5/50ns)/IEC 61000-4-5(Lightning)12A(8/20us)标准，除了用在LAN/WAN设备上，还适合用于高速数据线保护，移动电话和USB端口的保护。

3.视频线路的保护

氮化镓器件在功率电子领域中的应用篇6

随着经济的增长，人们的日常活动中越来越依赖电子化的数据和设备。这为功率电子产业的增长注入了动力，人们正在致力于提高供电网络及电力设备中功率器件的效率。功率电子或者电源管理市场参与者目前所致力的工作，是提供能向最终消费实现高效率电能输送的各种电子器件，其典型应用包括有用于消费类电子设备（个人电脑，手机和电源等）中的功率转换器等，电网连接中将DC-AC转换器件，用于电动和混合动力汽车中电动机的驱动器件，以及其他许多类似应用中的功率器件都要求具有极高的电功率处理能力。任何的电源管理技术在进行电能转换时都会产生能量损耗，随着人们越来越重视能源的效率和可再生能源，对于能优化电能转换效率的电力设备产生了强烈的需求。鉴于未来电能的产生方式会更加多样化，企业对能源消耗量的进一步关注及消费类电子设备应用的迅速增长，这种功率半导体器件市场的规模预期将还会有迅速的增长。

在1950s年代，功率器件市场主要是以真空管为主，现在已经被硅基MOSFET和IGBT器件所取代。目前以GaN和SiC为代表的宽禁带半导体材料，因具有更高的开关频率、更高的阻断电压、更低的开关损耗、更好的导热性和更高的工作温度等，越来越吸引大家的注意。

应用领域

目前，SiC器件在高功率电子应用中要走得更远一些。预计在短期内SiC功率器件将成为硅功率器件的主要替代技术，而GaN功率器件则主要将在<600V击穿电压、<5kW功率要求的领域开拓其初期的商业化应用。GaN基器件看起来能满足高电压和高功率应用中的要求，加上其转换效率要高于硅器件，似乎拥有很高的商业价值。然而，SiC器件却在混合动力汽车的发展中已经部分证明了这种宽禁带材料在高功率电子应用中的优点，而GaN基功率器件则更有可能的是渗透进入到那些难以承受SiC器件高成本的较低工作电压的应用中。

但在电源管理领域，电源逆变器为GaN材料提供最大应用潜力，这些应用通常需要快速、高效的开关器件，其中GaN晶体管所固有的高电子迁移率将能带来很大的优势。人们广泛认为硅器件已经处于或接近于其材料的性能极限，而GaN器件特别是在其结构和效率上还具有进一步提升的潜能。

电源管理应用中的关键是要将导通电阻（Ron）和开关速度这两个性能参数进行综合考虑。当前已有很多旨在提高GaN FET性能的开发工作，显示GaN器件与硅MOSFET器件相比，在给定击穿电压下具有更低的导通电阻数值。此外，GaN器件的优势不仅仅只限于低导通电阻上，GaN FET在开关工作时其栅极充放电所需的电荷量比硅器件要少很多。导通电阻与栅极电荷的乘积（RQ）是衡量功率晶体管品质一个很有用的参数。RQ数值较小表明器件具有较低的导通电阻和较快的开关速度。因此GaN器件要比硅功率器件开关速度快很多。这种低RQ值性能还有另一个好处，即是采用GaN的DC-DC转换器能够运行在更高的带宽中。硅功率MOSFET对于宽度小于100ns的脉冲进行处理时将会产生困难，而GaN FET可以对窄至4ns的脉冲实现开启或关闭。这意味着在一个点负载转换器中，GaN器件单级就可以实现48V到1V的转换，而同等的硅功率器件一般则需要先用一级转换成12V，再用一级转换为1V。

在过去的几年里，业界一致努力来进行增强型GaN FET（常关）的开发，尤其是在电源管理上的应用。这些增强型器件的应用之所以吸引人，是因为他们具有与当前MOSFET技术相类似的工作模式，但是具有更好的特征性能。许多日本企业，包括由Sanken Electric，Fuji、Furukawa Electric、Panasonic和NEC等公司所组成的技术联盟，均投资进行了增强型的GaN HEMT的开发。这些增强型GaN器件与其耗尽型GaN器件和硅MOSFET相比，需要采用不同的驱动器。如美国的National Semiconductor 和Texas Instruments等公司已经开发了能兼容增强型GaN驱动器件的生产线。这些在驱动器件上的努力最终将能提供一整套技术方案，使得GaN FET及其驱动器件能像MOSFET器件一样易于使用，将能加速增强型GaN器件市场的推广进程。

技术难点

为了发挥GaN所具有的在材料及其性能上的全部固有优势，GaN器件的开发将需要继续应对一系列的挑战。例如，由于缺乏合适的天然GaN衬底将会使GaN器件的生产变得更为复杂，因为难以像GaAs和硅晶体管的制造工艺一样，来生长出晶格匹配、无缺陷的GaN外延层。当前已经有使用氢化物气相外延（HVPE）方法来产生较厚的GaN膜层，并将该厚膜层作为一种GaN衬底材料来使用。生长GaN衬底的魅力在于其材料性能预期将能得到改善，可以显著提高LED的能源使用效率。但即使GaN衬底的生产工艺达到成熟，预计其成本也不能与纯硅衬底构成竞争优势。由于GaN衬底尚未达到生产性的规模，单晶GaN晶圆的生产商必须采用其他材料的外购衬底，如蓝宝石、SiC或硅衬底。迄今为止，SiC一直是制造微电子功率器件的首选材料，因为它的晶格常数与GaN相对比较匹配，并具有良好的热导性能。然而，SiC仍然是一个难以进行生产加工和成本昂贵的材料，对价格极为敏感的大规模生产应用时将会遇到在成本上的挑战。近年以来，高电阻率的硅材料已经在某些特定领域中成为可行的SiC替代材料。尽管它与GaN材料的晶格常数并不很匹配以及它的热学性能也较差，但是硅材料还是可以成为某些低成本应用的一种选择。硅衬底上GaN（GaN-on-Si）在由研发向大批量制造工艺的转移上展现出了它的发展潜力，因为它能与当前采用大尺寸硅晶圆的CMOS商用半导体制造工艺相兼容。有很多制造商在这方面做了大量开发工作，如ZZURRO Semiconductors开发出了150mm硅衬底上GaN外延晶圆，并且提出了开发300mm硅衬底上GaN外延晶圆的发展路线图。

市场估计

日益增加的能源需求和能源替代的发展趋势将给功率电子器件市场带来极大的发展机会。宽禁带半导体技术的优势非常引人注目，但是要取代现存的硅技术并实现一定规模的量产，还必须解决很多具有挑战性的问题。GaN技术能在这个细分专业市场中获得发展，是因为业界和政府机构都已充分认识到这项技术的重要性，并投入了大量资源来支持这一技术的发展。考虑到上述所有这些因素，GaN技术在高功率电子领域的应用虽处于起步阶段，虽然GaN功率器件目前仅仅占有高功率电子市场的一小部分，但预计GaN功率器件的平均年复合增长率将会高于100%，即平均每年约翻一番。未来十年将会保持强劲的增长势头。

总结

能源消耗的增加、数字经济的发展趋势、能源效率的革命以及分布式发电的增加等都将引爆功率电子器件的市场。现在的主流技术是硅IGBT和MOSFET器件。但宽禁带半导体材料GaN因具有更高的开关频率、更高的阻断电压、更低的开关损耗、更好的导热性和更高的工作温度等优异性能，极大地刺激了其工艺和产品的开发力度及在功率电子器件领域的应用。

TVS器件特性参数分析及应用篇7

1 TVS的结构及分类

TVS瞬态电压抑制器是在稳压二极管的基础上发展而来的,是一种二极管形式的新型高效能保护器件。TVS通常采用二极管式的轴向引线封装结构,TVS的核心单元是芯片,芯片主要材料为半导体硅片或晒片,芯片有单极型和双极型两种结构,单极型TVS有一个PN结,双极型TVS有两个PN结。TVS芯片的PN结经玻璃纯化保护由引线引出,再经改性环氧树脂封装制成。

TVS瞬态电压抑制器有单极性与双极性之分[1],单极性只对一个方向的浪涌电压冲击起保护作用,双极性瞬态二极管对相反的极性浪涌电压冲击都起保护作用,相当于两只稳压管反向串联,它优点是结电容小,响应时间短,功率大。单向TVS多用于直流和已知方向的信号电路,双极性TVS多用于交流和变化的信号电路,TVS阵列多用于多线保护[2]。TVS管也可以与二极管串联,利用二极管寄生电容较小的特点来降低总寄生电容,可以实现对高速信号端口的保护。TVS串行接入电路可以分电压,并行接入可以分电流,但在应用中应控制串/并数量,TVS在应用过程中必须考虑环境温度及温度变化情况对TVS特性的影响,因为温度上升会使TVS反向漏电流增加,功耗下降。另外,TVS按峰值功率可分为,,,等多种型号。

2 TVS的主要参数及选用

2.1 最小击穿电压VBR

最小击穿电压VBR等于1 m A的测试电流通过TVS时,TVS两极的电压值。VBR根据其与标准值的离散程度分为两种:VBR(5%)与VBR(10%)。

2.2 额定反向工作电压VWM

TVS反向工作时,在规定的IR条件下,TVS两极的电压值称为额定反向工作电压VWM。一般情况,VWM=(0.8~0.9)VBR,离散度[3]为5%的TVS,VWM=0.85VBR(5%);离散度为10%的TVS,VWM=0.81VBR(10%)。VWM值的选择要适中,VWM值既要大于等于US(最大持续工作电压),又要与US值相接近,选择太大或太小都不能安全可靠保护电路。

2.3 最大反向脉冲峰值电流IPP

TVS反向工作时,在规定的脉冲条件下,TVS允许通过的最大峰值脉冲电流称为最大反向脉冲峰值电流,峰值脉冲电流IPP应大于电路瞬态浪涌电流。

2.4 最大钳位电压VC

当脉冲峰值电流IPP流过TVS时,其两极的最大峰值电压为最大钳位电压。VC为TVS的电压保护水平,是选用TVS十分关键的参数,应小于被保护电路耐压水平UW,否则TVS将失去保护作用。TVS钳位系数等于VCVBR,钳位系数取值一般在1.2~1.4范围内[3]。

2.5 峰值脉冲功率Ppp

峰值脉冲功率等于TVS允许通过的最大峰值脉冲电流IPP与最大箝位电压VC的乘积。Ppp值与脉冲波形、脉冲时间及环境温度有关。在应用中要根据电路的特性和工作环境确定电路预期瞬态浪涌电流及可能出现的瞬态浪涌脉冲功率,峰值脉冲功率Ppp应考虑20%的安全裕量,据此确定TVS额定脉冲功率Pppm。额定脉冲功率应大于被保护器件或线路可能出现的峰值脉冲功率。同时,电路设计必须认真考虑重复施加脉冲能量的累积,其能量不应超过TVS器件的脉冲能量额定值。

2.6 电容C

TVS的电容量由其芯片的面积和偏置电压来确定,其偏置电压与电容值C成反比。在应用中要根据电路持性选择合适的电容范围,电容大会使信号损失,对信号起调制作用,引起干扰。

2.7 反向漏电流ID

当额定反向工作电压VWM加于TVS两极时,TVS处于反向关断状态,流过TVS的电流称为反向漏电流,ID值应小于或等于其最大反向漏电流。

2.8钳位响应时间TC

钳位响应时间是指TVS两极电压从零升至最小击穿电压VBR的时间,TVS[2]的TC小于1×10-12s,仅为1 ps。

3 TVS的特性分析

3.1 TVS的伏安特性

TVS能保护晶体管电路,是靠伏安特性起箝位作用,见图1[2]。当TVS管电压为反偏,且位于0~VBR时,TVS管呈高电阻状态;当反偏电压超过VBR时,流经TVS管电流迅速增加,进入低电阻导通状态,从高电阻状态到低电阻状态延时只有ps数量级。TVS管两端电压被箝制在VC以下,经过电压脉冲过后,TVS管又恢复高阻状态。

3.2 TVS的钳位特性

TVS属限压型浪涌保护器件,能对过电压起钳位作用,将浪涌电压限制在安全耐压范围内,从而保护后面的负载电路。根据电路的基本理论,按照环路电压分析法,从图2可以看出,电路的输出电压Voutput可由式(1)得到:

若设浪涌电压Vg为8 k V,Rg为330Ω,RS为0.14Ω,TVS的VBR为6 V,则i≈24 A,那么由式(1)得Voutput=10 V。利用TVS的钳位特性,将8 k V危险浪涌电压削减到10 V的安全电压。需要注意的是,以上电路应满足Rg>RS+RLoad>RS这一条件[10]。

4 TVS的应用

4.1 TVS在TN电源系统的应用

雷电过电压波、负载开关等人为操作错误引起的过电压容易通过供电线路侵入电气电子设备内部,造成电气电子设备失效、误动作,甚至造成设备的永久性损坏,造成严重经济损失。通过在电源线路上安装浪涌吸收装置MOV和TVS,实施两级保护,并对L、N线进行共模、差模保护。具体做法是在线路的前端安装MOV作为第一级SPD保护,泄放大部分雷电流,在线路的末端(设备前端)安装大功率TVS作为第二级SPD保护,进一步削弱过电压波幅值,将电网电压降至E/I安全耐压范围之内,如图3所示。要注意的是,MOV与TVS应达到电压和能量的协调与配合,AB之间的线路长度不应小于5 m,否则应增加线路长度或安装退耦器件。

4.2 TVS在网络信号线路的应用

TVS不仅可以用于电源系统的浪涌防护,还可以用于信号线路的浪涌保护,采用气体放电管GDT与TVS管组合成信号浪涌保护器,其特点是反应快,漏流小,几乎对信号无损耗,可以对高速网络线路提供安全、可靠的保护,如图4所示。

4.3 TVS在直流电源系统的应用

图5为一台普通PC电脑的供电电源电路,市电AC 220 V经过变压器降压至AC 20 V,再经调制整流电路,输出DC 10 V直流电源,接入负载。通过在变压器输出端安装双向瞬态电压抑制器TVS1,吸收L及N线的瞬时冲击脉冲电流,将电路电压箝制在安全电压水平,TVS1可以保护变压器后端整流器及其他电路元器件。在整流器后的直流电源输出端安装单向瞬态电压抑制器TVS2,用于保护直流负载免受过电压电电流冲击。

4.4 TVS在晶体管电路的应用

晶体三极管作为电流控制型器件,是电子集成电路中的重要组成部分,可分为NPN管和PNP管[5]两类,应用于开关电路、放大电路和稳压电路。为了使晶体管电路免受(静电放电电快速瞬变脉冲群)等浪涌电压的干扰,在电路的输入端和输出端分别加入TVS1、TVS2进行保护,其保护电路如图6所示。

4.5 采用TVS保护TTL逻辑电路

TTL电路是晶体管-晶体管逻辑电路的简称,是目前使用最广泛的一种门电路,通过输入高低电平[5],实现逻辑功能。它由三部分组成,即输入级(发射极晶体管V1和基极电阻R1)、倒相级(V2管和电阻R2,R3)、输出级(V3,V4,V5和电阻R4,R5)。对于TTL逻辑电路的浪涌防护,主要通过在输入级A,B端分别加入TVS1和TVS2进行保护,在电路的输出端“L”加入TVS4进行保护,在直流电源UCC端加入TVS3进行保护,可以有效抑制各种瞬变过电压对晶体管的EB结或CE结击穿而损坏。图7为TTL“与非”门的典型保护电路。

4.6 采用TVS保护MOS集成电路

MOS集成电路的基本原件是MOS晶体管,MOS管有源极S、漏极D、栅极G三个电极,是电压控制元件,用变化的栅漏电压来控制漏源电流,MOS管分为P型MOS管和N型MOS管两种[5]。由NMOS管和PMOS管组成的互补型MOS电路称为CMOS电路,它能对输出端的电容提供一个快速充放电回路,功耗小,工作速度较高,具有较强的负载能力及抗干扰能力,在数安集成电路中得到越来越广泛的应用。图8为COMS反相器保护电路图,在电路的输入端Ui、输出端Uo及电源电压UDD分别加入TVS3,TVS2,TVS1,从而保护晶体管电路及后面的负载元件。

5 结语

(1)TVS具有响应快、功率大、极间电容和体积小、无漏流、应用领域广等优点,可有效地保护TN电源系统、直流电源、信号线路及晶体管集成电路等,可抑制共模/差模浪涌冲击和ESD/EFT等瞬态浪涌电压的干扰。

(2)电路设计应考虑被保护电路的特性、工作环境及TVS的VC,IPP,VWM,VBR,Ppp等相关参数选择适配的TVS保护器件,TVS接入电路应不影响电路的正常运行,能安全泄放预期瞬态浪涌电流,将危险电压钳位于电路安全耐压值以内。

参考文献

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高阻器件低频噪声测试技术与应用篇8

关键词：高阻器件,低频,噪声,技术,应用

电器元件在目前的发展和研究中, 其体积不断的减小, 功能不断的增多。类似于手机一类的产品中, 电子元件所扮演的角色是绝对性的。但是, 任何一种电子元件在投入使用后, 都存在噪声的问题, 频率与噪声密切相关, 通过运用相关的测试技术, 能够在客观上了解电子元件的噪声范围、影响程度、持续时间等等, 以此来优化电子元件的设计和运用, 并且在多方面完成对电子元件的优化。所以, 测试技术的研究与应用, 是很有必要的。在此, 文章主要对高阻器件低频噪声测试技术与应用展开讨论。

1 高阻器件低频噪声测试技术

相对于其他测试技术来讲, 在运用高阻器件低频噪声测试技术的过程中, 省去了很多环节, 实现了较大的便利条件。但是, 由于高阻器件低频噪声测试技术是一种针对性较强的技术, 因此我们在运用的过程中, 不能奢求该项技术可以完成所有电子元件的测试, 必要时可联合其他测试技术共同完成。在此, 文章主要对高阻器件低频噪声测试技术进行论述。

1.1 高阻样品噪声测试问题分析

高阻器件低频噪声测试技术的研究并不是偶然的研究, 而是在大量现有问题的基础上, 实施的一项针对性技术研究, 以此来完成各方面的测试进步。从客观的角度来分析, 高阻样品噪声测试过程中, 表现出了很多的问题, 传统技术根本无法满足需求。经过大量的总结和分析, 认为高阻样品噪声测试问题, 突出表现在以下几个方面:第一, 高源阻抗使电压噪声信号衰减。在运用传统技术测试的时候, 发现一旦应用高源阻抗来测试, 就会导致电压噪声信号持续衰减, 部分电压信号甚至时表现出无噪声的特点, 这就在客观上导致测试结果的不准确性。倘若以此来生产和加工电子元件, 势必会造成产品的较大噪声问题, 对用户产生的伤害是比较严重的。第二, 高偏置的电压条件, 会直接降低耦合电容寿命, 甚至是造成耦合电容被击穿的情况。目前, 部分测试技术选择的条件是高偏置的电压条件, 在以往的测试中, 该条件的确表现出了较多的优异成绩。可是, 目前的耦合电容已经无法承受高偏执电压的条件, 不仅仅是损耗寿命, 甚至是会出现被击穿, 一旦击穿, 势必会造成较大的安全事故。第三, 电流噪声信号带过窄。测试噪声的过程中, 对电流噪声信号带的要求是比较高的, 倘若信号带过窄的话, 势必会造成某些指标测试不合格, 反复测试只会陷入恶性循环。

1.2 高阻器件低频噪声测试技术的实现

经过长期的努力与研究, 高阻器件低频噪声测试技术应运而生, 告别了以往的各种不良条件, 实现了测试水平的进一步提升。相对而言, 高阻器件低频噪声测试技术的实现, 促使电子元件的噪声测试, 告别了传统上的恶性循环, 能够对很多指标实现有效的测试。就现有的测试工作来看, 高阻器件低频噪声测试技术的实现主要是划分为两个方面:首先, 在电压的测试工作中。技术人员可以将待测的样品, 直接放入到前端适配器上, 之后就是要检查各个硬件模块的连接情况, 需保证连接线的完全正确。接下来, 不必实施繁琐的步骤, 而是直接给器件施加直流信号, 以此来激发电压的噪声信号, 根据噪声信号, 就可以完成相应的信息和数据采集、分析, 确定电压噪声是否符合标准。其次, 在电流噪声的测试方面, 还是要将待测样品, 直接放入到前端适配器上, 按照顺序来实施检查, 尤其是线路方面, 之后也是激发噪声信号。接下来, 根据信号幅值的大小将放大器调至合适的放大倍数。之后, 在软件界面上激活频谱采集功能。采集结束后, 利用锁相放大器获取放大器在该放大倍数下的传输函数。从以上的表述来看, 高阻器件低频噪声测试技术符合造成测试的要求, 能够在实际的测试工作中, 表现出较大的积极作用。

2 高阻器件低频噪声测试技术的应用

任何一项技术的发明, 其最终目的就是为了应用。在理论研究、实验研究的过程中, 高阻器件低频噪声测试技术均表现出了突出的成绩, 很多方面都要优于以往的传统技术。但是, 高阻器件低频噪声测试技术在没有得到实际应用时, 就不能说高阻器件低频噪声测试技术是完全成功的, 因为没有创造出实际的价值。在此, 文章主要对高阻器件低频噪声测试技术的应用展开论述。

2.1 高阻器件低频噪声测试技术应用于高阻厚膜电阻的筛选

高阻厚膜电阻是比较常用的电阻类型, 现阶段的生产数量比较大, 但如何更好的筛选出劣质电阻, 就需要应用高阻器件低频噪声测试技术来完成了。在目前的筛选工作中, 可以根据高阻厚膜电阻的数据、爆裂噪声开展筛选, 其效果均比较突出。以爆裂噪声筛选为例, 在运用高阻器件低频噪声测试技术的过程中, 每个足以激发出爆裂噪声的微观缺陷, 对应着一个脉冲的高度。如果样品材料中含有多个足以在高场强下激发出爆裂噪声的缺陷, 则该器件的爆裂噪声时域波形中会含有多种高度的脉冲, 其频域中会含有明显的洛伦兹谱, 因而不会再表现为典型的爆裂噪声曲线。通过对爆裂噪声的具体分析, 就可以完成高阻厚膜电阻的有效筛选。

2.2 高阻器件低频噪声测试技术应用于聚合物钽电容的漏电流噪声研究

聚合物钽电容是比较常用的一种电力物质, 其作用是比较突出的。但是, 由于聚合物钽电容的漏电流噪声存在严格的要求, 因此凡是不合格的产品绝对不能投入产出。在以往的测试过程中, 只能是对噪声的单一指标进行测试, 不仅耗时费力, 同时还导致很多指标的测试达不到标准, 仅仅是能在基础工作上努力, 聚合物钽电容的相关技术也停留在原地。通过对聚合物钽电容的漏电流噪声, 应用高阻器件低频噪声测试技术, 电容噪声功率谱密度幅度与器件的反向应力损伤时间成反比。随着电容两端施加反向电压时间的不断增加, 电容的噪声在低频段不断降低, 降低幅度达到50%。该现象可以由钽电容在施加反向应力时发生的特殊效应来解释。所以, 高阻器件低频噪声测试技术还是能够较好测试的。

3 结束语

文章对高阻器件低频噪声测试技术与应用展开讨论, 从现有的工作来看, 高阻器件低频噪声测试技术在应用过程中, 能够对多种类型的噪声进行测试, 并且得到的结果也相对权威。在今后的工作当中, 需对高阻器件低频噪声测试技术进行深入的研究, 保持技术的良性发展, 将技术应用到更多的噪声测试中, 减少电子元件的噪声程度, 避免对人体造成较大的伤害。

参考文献

[1]陈晓娟, 杜娜.功率场效应晶体管的低频噪声检测方法[J].河南科技大学学报 (自然科学版) , 2014, 1.

[2]刘远, 吴为敬, 李斌, 等.非晶铟锌氧化物薄膜晶体管的低频噪声特性与分析[J].物理学报, 2014, 9:422-427.

[3]陈晓娟, 贾明超, 隋吉生.改进型低频噪声测量方法研究[J].电测与仪表, 2014, 8:60-64.

[4]陈晓娟, 陈东阳, 申雅茹.基于低频噪声测量的UPS故障诊断方法[J].电子器件, 2015, 2:424-428.

半导体器件在汽车上的应用篇9

基于,半导体技术的广泛应用,首先应该指出半导体的概念描述。即导电能力介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体,半导体是在某种条件下导电,在其他条件下不导电的材料。包括二极管、三极管、特殊晶体管等。接下来本文就它们的工作特性以及在具体的汽车电路上的应用进行详细介绍。

二、二极管在汽车上的应用

二极管在汽车上的应用分普通二极管和特殊二极管。其中普通二极管主要是利用其单向导电性,可以组成整流、续流、限幅及检波等电路应用到汽车电路中。在汽车交流发电机中就是利用二极管组成的整流板将发电机发出的三相交流电整流为直流电。为了适应发电机的需要,专门制作了应用于汽车的整流二极管,它们分为正极管和负极管。而且汽车上交流发电机不发电的主要原因多为硅二极管的损坏,比如汽车在高速运行时,如果突然失去负载,则其端电压会急剧升高,可能会造成整流器中二极管被击穿的危险。二极管的续流作用在汽车电路中随处可见,一般在继电器、线圈等旁边都并联有保护二极管。注意此时二极管一般是负极接高电位,正极接低电位。二极管的限幅电路就是利用二极管在导通后其两端的正向压降为0.7V,达到限制电压幅度的目的,主要应用汽车音响电路中。

特殊二极管主要有稳压二极管、发光二极管和光电二极管等。在汽车电路中由于各个电器总成或元件工作电流比较大,使汽车电源系统的电压会出现波动。在汽车的仪表电路和一部分电子控制电路中,一些需要精确电压值的地方经常利用稳压管来获取所需电压。稳压管在工作时一般是正极接低电位,负极接高电位,此时即使电源电压发生变化或其他因素影响,也只是引起不同的电流通过限流电阻和稳压管,改变落在此电阻上的电压,而稳压管两端的电压始终维持一定的电压值基本不变。

发光二极管在汽车电路中随处可见,主要应用在仪表板上作为指示灯或报警信号灯。比如液面过低,制动灯、尾灯等烧坏,这时相应的发光二极管就会被接通发光,发出报警指示。有些高级轿车在仪表盘上装有转向角监测仪,利用发光二极管显示转向盘转角、前轮转角、车门的开闭状态。使用发光二极管时,一定要串联一个限流电阻,防止通过的电流过大,将其烧坏。在汽车上如果直接将发光二极管接在电源上,应该串联的限流电阻的阻值为1kΩ。

光电二极管是当光线照射在PN结上时,二极管的反向电流增加,其大小与光的照度成正比,利用光电二极管制成的光电传感器可以将非电信号转变为电信号,以便控制其他电子器件。汽车上的许多传感器就是利用光电二极管制成的,用于汽车自动空调系统的日照强度传感器,日照强度传感器就是可以把太阳的照射情况转换成电流的变化,车内自动空调计算机对这种变化进行检测,来调节排风量和排风口温度。此外还可以应用到汽车灯光自动控制器中,用来检测车辆周围亮、暗程度。要注意使用发光二极管时一般也是负极接高电位,正极接低电位。

三、三极管在汽车上的应用

三极管在汽车上的应用可以分为三部分,一是组成基本的放大电路;而是构成开关电路;三是构成多谐振荡器。下面分别展开阐述。

(一)三极管放大电路在汽车电子电路中的应用

三极管处于放大状态时,需要被放大的信号从基极输入,经过三极管放大后,放大了的信号从集电极输出。三极管的放大电路能够将从传感器输出的微弱信号进行放大,然后传输到汽车电控单元ECU。只不过这种放大是一种反向放大,将输入波形反了180°。但是现代的汽车电路中,由一个三极管组成的单管放大电路已经很少用到了。经常是应用多个三极管和外围元件组成的集成运算放大器来承担信号的放大任务。

(二)三极管开关电路在汽车电子电路中的应用

当三极管在基极电流控制下,在截止和饱和两种状态交替交换,就如同一个开关的断开与闭合状态交替交换一样。当基极输入一个高电位控制信号时,三极管工作在饱和导通状态,c-e间的电位差几乎为0,相当于c-e间闭合;当将基极上的高电位撤离后,三极管工作在截止状态,c-e间的电流几乎为0,相当于c-e间断开。三极管开关电路在汽车上的应用相当广泛,主要应用在电子调压器、电子点火器以及各种信号报警电路。比如汽车电子调压器就是利用三极管的开关作用来控制励磁线圈电路的通断,来控制励磁电流的大小,从而控制发电机的输出电压,使之稳定在某一个规定的范围内。

(三)三极管构成的多谐振荡器在汽车电子电路中的应用

在汽车电子电路中,需要产生多谐振荡信号用于控制器件和发出声音,比如汽车晶体管闪光器、无触点晶体管电喇叭、刮水器间歇控制、电动汽油泵驱动等电路。多谐振荡器就是由三极管放大电路和三极管集电极输出信号反传给三极管基极的正反馈电路组成的。

四、特殊晶体管在汽车上的应用

特殊晶体管有光电三极管、晶闸管、场效应管等。光电三极管在原理上类似于三极管,只是它的基极电流由光电二极管提供,所以一般没有基极外引线,用入射光的照度来代替三极管的基极电流。光电三极管的响应速度比光电二极管慢,灵敏度较高。在要求响应速度快,对温度敏感小的场合选用光电二极管而不用三极管。光电三极管在汽车上主要应用于传感器中。把发光二极管和光电三极管组合在一起,可实现以光信号为媒介的电信号的转换。主要有:曲轴位置检测、车高位置检测、转向角度检测、车速传感器等。均是利用在光电传感器的中间设置遮挡物,利用遮挡物是否挡住光线,来判断遮挡物的位置,传递位置信号或转过的遮挡物的个数信号。

晶闸管也叫可控硅,它属于电流控制器件,利用晶闸管可以用很小的电流控制很大的阳极电流,适用于高压电路,它比二极管更结实耐用。晶闸管在汽车上的应用不是很广泛,主要应用于电子调压器、电子点火器和电子闪光器中作为开关管带动负载。由于它的控制不是很方便,除了在一些控制电流比较大的场合还能见到它的应用,其他场合逐渐被大功率三极管所取代了。

场效应管是通过改变输入电压的大小来实现输出电流的控制,是一种电压控制器件。它在应用时基本不需要电流,且受温度、外界辐射影响较小,一般不单独使用,主要用于制作大规模集成电路。在汽车上使用大功率MOS管驱动电动机、风扇等。

可见,半导体器件在汽车上的应用是非常重要的,掌握一定的半导体技术知识对学习汽车专业的后续课程可以起到非常重要的作用。

参考文献

[1]张梦欣等．电工电子技术基础．第二版．中国劳动社会保障出版社．2004．7

[2]刘皓宇主编．汽车电工电子基础．高等教育出版社．2005．1

[3]张梦欣等．汽车电器设备与维修．中国劳动社会保障出版社．2004．7

频综的指标分解和器件选型成功应用篇10

无线通讯中, 基站的核心功能是完成射频和基带信号之间的频率变化, 频率变化需要提供本振信号完成上下变频的功能。为满足系统指标, 如何确定本振的指标参数是否满足系统要求?怎样选择合适的器件, 达到预定的指标?本文较为详细的阐述射频本振锁相环设计的设计过程。

二、解决方案

2.1发射链路对本振的要求

本振的相位的噪声影响系统的发射调制精度。LTE系统3GPP要求64QAM调制模式下发射的调制精度:EVM≤8%。

影响EVM的因素主要有:数字中频、发射通道非线性、本振相位噪声等, 具体指标分配为:

中频输出的EVM为:2.5%;发射通道的噪声和非线性的EVM为:2.5%;本振的相位噪声为:2%;其它因素的EVM:1%;系统分配本振对EVM的影响要求:EVM<2%。

假设相位误差很小, 则EVM和相位误差的关系可由下式表示:

由此可以得到RMSnoise=1.15°。

均方根相位误差等于相位噪声在整个频率里的积分, 根据图1相位噪声频谱图, 我们得到相位误差RMSnoise和相位噪声的关系如公式 (2) 。

根号下的第二项很小, 考虑实际的值往往比我们估算的值稍差一点, 忽略第二项。因此, 我们在近似计算时, 取p=4, 则 (2) 式可以近似为:

其中fc为环路带宽, k为相位噪声。RMSnoise=1.15°, 带到 (3) 式中, 当环路带宽选择10KHz时, 得到:-79.37d Bc/Hz@offset10k Hz。当环路带宽如果取1KHz时, 得到:-69.37d Bc/Hz@offset1k Hz。取5d B的余量, 则带内的相位指标要求为:-75d Bc/Hz@offset1k Hz, -85d Bc/Hz@offset10k Hz。

PLL带外的相位噪声主要由VCO的相位噪声决定, 对于VCO在转角频率外以20d B/Decade恶化, VCO的转角频率一般都在1k以内, 根据带内的相位指标可以得到远端的相位噪声要求为:-105d Bc/Hz@offset100k Hz, -125d Bc/Hz@offset1MHz。

2.2接收链路对本振的要求

由于倒易混频的影响, 本振的相位噪声对接收链路的ACS、阻塞和交调指标都有影响, 由于ACS指标的干扰信号离有用信号最近, 对本振的相位噪声要求最严格, 以ACS指标作为接收指标对相位噪声指标的依据。

邻道选择性指标要求:有用信号功率为-100d Bm, 干扰信号中心频率偏离有用信号所在信道边缘的距离为2.5025MHz时, 系统能够在干扰信号平均功率≥-47d Bm的情况下满足吞吐量的指标要求。

设基带对应的信噪比要求为2d B, 故系统允许的最高噪声功率为-102d Bm。

噪声功率分配:

1、热噪声功率按60%计算;

2、通道非线性互调产生的噪声占总噪声的5%;

3、镜频产生的噪声占总噪声的5%;

4、本振倒易混频产生的噪声为-107.5d Bm, 占总噪声的30%;

本文主要对本振倒易混产生的噪声进行分析。接收链路中倒易混频的产生按照5M的ACS计算, 信道两侧各存在0.25MHz的保护带, 偏移本振0.5025MHz-5.0025MHz范围的相噪为-107.5- (-47) =-60.5d Bc, 考虑1.5d B余量, 即积分相位噪声不超过-62d Bc。

考虑到偏离本振频率较近, 相位噪声不能近似为平坦直线, 做折线近似, 假设相位噪声1MHz处比500k Hz小5d B, 5MHz比1MHz处小15d B。计算得要求的单边噪声功率谱密度为:-124d Bc/Hz@1MHz。

通过以上接收链路和发射对本振的要求, 得到系统相位噪声的要求为:-75d Bc/Hz@1k HZ, -85d Bc/Hz@10k HZ, -105d Bc/Hz@100k HZ, -125d Bc/Hz@1MHz。

根据系统要求, 如何根据锁相环芯片的数据手册, 估算是否能够达到我们期望的指标?

对于带内的相位噪声, 锁相环贡献的噪声主要由锁相环的归一化噪底 (PN1Hz) 、鉴相器噪声和N分频器的噪声贡献。

用公式 (4) 进行估算:

输入参考引入的噪声, 可用公式 (5) 进行估算:

系统噪底 (Synthesizer Phase-Noise Floor) 如图2所示是-172d Bc/Hz, 此值是带内噪声减去20log (N) 后的值, 也就是PH1HZ+10log (Fcomp) =-172d Bc/Hz的值, 根据上面的测试条件, 鉴相频率为25k Hz的情况下测试, 则得到PH1HZ=-172d Bc/Hz-10log (Fcomp) =-216d Bc/Hz。根据此参数可以估算带内的相位噪声理论值。

根据公式 (4) , 得到如果在参考频率为10M, 鉴相频率2M, 输出频率1878M情况下的带内噪声为:-216d Bc/Hz+59.5+63=93.5d Bc/Hz。

环路滤波器的带内对参考的噪声是没有抑制的, 还需再加上参考的噪声归一到输出频率上的噪声, 系统选用的10M参考在1k HZ和10k HZ上的噪声分别为-130d Bc/Hz, -140d Bc/Hz, 则根据公式 (5) , 可以估算参考带来的噪声:

1k Hz的噪声:-130d Bc/Hz+20*log (187.8) =-85d Bc/Hz

10k Hz的噪声:-140d Bc/Hz+20*log (187.8) =-95d Bc/Hz

带内的噪声加上参考的噪声后就是理论上应该得到:

1k HZ的噪声:-93.5d Bc/Hz-85d Bc/Hz=-85d Bc/Hz

10k HZ的噪声:-93.5d Bc/Hz-95d Bc/Hz=-91d Bc/Hz

对于带外的相位噪声主要由VCO决定。从图4给出的数据可以估算出带外的相位噪声分别为:

100k HZ的噪声:-110d Bc/Hz

1MHZ的噪声:-133d Bc/Hz

通过以上器件选型估算, 得到器件输出评估值:-85d Bc/Hz@1k HZ, -92d Bc/Hz@10k HZ, -110d Bc/Hz@100k HZ, -133d Bc/Hz@1MHz。

对比系统对本振的要求, 选用的锁相环芯片在参考频率为10M, 鉴相频率为2M的情况下, 满足系统使用的要求。通过实践验证, 本振实现指标满足估算值, 经过整机性能的测试, 本振性能指标也均满足上下行性能指标要求。