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整流愛發燒 -----陳友祥 ( 中無通訊 第99期 )

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發表於 23-7-2022 14:30:29 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
本帖最後由 VR2ZWP 於 23-7-2022 14:32 編輯

                    
                         本文原刊於 中無通訊 第99期 ( 2022年7月號 ), 作者:陳友祥。


       地球暖化,氣候異常,愛護地球人人有責,半導體行業不斷研發節能產品,開關式電源轉換器 Switching Convertor 效率已達九成八,消耗 100W 功率,輸出可達 98W,新產品於閒置時 ( Standby Mode ) 靜態電流 ( Quiescent Current ) 降低至數微安 ( uA ),務求節省用電,讓我們多了解半導體元件產生功率損耗的原因。
       大功率半導體工作時都會發熱,由半導體內部功率損耗產生,一般矽整流管 ( 硅整流 ),順向電壓大多 1 ~ 1.1V,不要少看這 1V,若通過 50A 電流,功耗 P = E x I = 50W,見  (圖一),這 50 瓦大多變成熱,若不盡快導出熱量,溫升令漏電增加,結溫 ( Junction Temperature ) 將迅速超出極限,必然燒毀,另一方面,若半導體長期高溫工作,亦會影響壽命,以 LED 燈膽為例,裝在天花板裏面的壽命較短,註明十萬小時,卻用不到一年,若是通風良好,壽命可以很長,無他,困在天花,無法散熱而矣,早期的 LED 燈,甚至內裏附有小風扇。

1.jpg                 2.jpg   圖二


       要導出熱量,一是利用接腳,二是利用外殼,採用導熱良好的絕緣材料,大功率半導體使用導熱良好的金屬,加強散熱能力,封裝外形亦方便安裝至散熱器,平面封裝 SMD 元件通過焊點直接散熱到底板,要加強散熱還有金屬基板 PCB, 見 (圖二): 顯微鏡下的鋁基板 PCB,依次是線路層、絕緣層、鋁基板、散熱器。







 樓主| 發表於 23-7-2022 14:51:38 | 顯示全部樓層
本帖最後由 VR2ZWP 於 23-7-2022 14:53 編輯

FRD ( Fast Recovery Diode ) 快速回復二極管
FRED ( Fast Recovery Epitaxial Diode ) 快速回復外延型二極管,矽整流於順向導通轉逆向過程,負電子積存在 N 區,令二極管出現短時間導通,出現漏電,見  (圖三、四),工作電流越大,回復時間越長,於高速開關電路中不單耗電增加,亦會產生干擾電磁波等寄生現象,使用軟回復二極管可改善干擾,於低頻 50 Hz 整流影響較小,改進生產工藝能縮短回復時間,只是導通電壓亦相對增加,按反向回復時間長短及變化分為:標準回復 Standard,軟回復 Soft Recovery,快速回復 Fast Recovery 50 ~ 100 nS ( 納秒、奈秒 ),超快速回復 Ultrafast Recovery 25 nS ( 納秒 )。
3.jpg                                               4.jpg

(圖五):橋式整流,左 KBPC5006 金屬外殼 600V 50A,右 Viskay LVB2560 600V 25A,順向電壓 VF 常溫 0.9V at 12.5A,攝氏 125度時 VF 相當 0.76V。

5.jpg   圖五                                        6.jpg

(圖六):矽二極管由 P 型與 N 型半導體組成 P N 結,蕭特基二極管只有 N型半導體或 P型半導體與合金層組成,少了一層半導體,電壓降較低。

SBD( Schottky Barrier Diode ) 蕭特基二極管,順向電壓比矽二極管低,一般0.4 ~ 0.6V,功耗較低,耐壓亦較低 20 ~ 200V,耐壓造得越高,順向電壓亦會升高,見 (表一) 。
p1.jpg

 樓主| 發表於 23-7-2022 15:01:21 | 顯示全部樓層
FERD ( Field-effect Rectifier Diode ) 場效應整流二極管,STMicroelectronics 意法半導體的專利產品,低電壓降 0.56V at 20A,耐壓 100V。
   7.jpg
(圖七): 左 Viskay VS-40CPQ060 蕭特基雙二極管 60V、2 x 20A、VF 0.49V、封裝 TO - 247,
            右 STMicroelectronics FERD30H100 100V 30A、VF 0.405V、封裝 IPAK

     功率晶體管 Power Transistor,用於線性電路 Linear Circuits,難免發熱,例如:功率管用於線性穩壓器 Linear Regulator,串接於電源與負荷中間,集極與射極間電壓降 Vce 與輸出電流產生功耗是電路使然,要省電,只能盡量降低輸入電壓,於電路穩定度與耗電之間取得平衡,現時 LDO 穩壓器 ( Low Dropout linear regulators ) 如 78Rx 系列,容許 0.5V 電壓降,仍可保持輸出穩定,見 (圖八)。
8.jpg                          9.jpg


     開關式電源轉換效率高,晶體管用於開關電路 Switching Circuits,集 - 射極飽和電壓 Vce sat ( Saturation ) 成了關鍵,STMicroelectronics 的 STW2040 於 20A 電流時  Vce sat 低至 0.6V,條件是基極推動電流要 4A,這 4A 其實也是損耗,大功率晶體管增益較低,一般 hFE = 10,為提高增益,使用兩管接成達靈頓管 Darlington 提升增益,只是工作電流增大,增益亦會下降,如達靈頓管 MJ11032 於 Ic 25A 時, hFE = 1000,工作於 50A 時,hFE 下降至 400。
金屬氧化物半導體場效應管 Mosfet ( Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor ),亦稱絕緣柵型場效應管 ( IGFET,Insulated Gate Field Effect Transister ),柵極 Gate 與其他部份不導通,由電場控制輸出,節省推動功率,較常使用 Enhancement mode 增強型,常態漏極Drain 與源極 Source 不導通 (常開),柵極加上 4~10V 電壓,D - S 導通電阻可低至數毫歐姆 mΩ,還有 Depletion mode 耗盡型,常態 D - S 導通 (常關),柵極加上反壓時才斷開,膽機的陰極恆流源使用耗盡型,有關 Mosfet 特點及應用另文介紹。
Mosfet 符號見 (圖九)
 樓主| 發表於 23-7-2022 15:13:36 | 顯示全部樓層
IGBT
絕緣柵雙極晶體管 IGBT ( Insulated Gate Bipolar Transistor ),工作電壓達數千伏、是場效應管與功率晶體管的結合,高耐壓場效應管導通電阻大,結合功率晶體管作輸出,減少導通電阻,適合作馬達變速器、大功率逆變器、電磁爐...,於高頻功率電路中,微小電感與電阻都會造成影響,輸入端直接引線至晶片射極,避免受輸出線影響。
IGBT 符號及等效電路 見 (圖十)。
10.jpg 11.jpg

(圖十一): IGBT (前左)  FGA25N120ANTD 1.2KV 50A
(前中)   IRGP4063PBF 600V 96A
(前右)  Rohm 的 RGPR10BM40 460V 20A、SMD 封裝 TO252
(後方)  Semikron 的三相用功率模塊 SKM40GD124D 1.2KV 40A
12.jpg
(圖十二):Infineon FS200R07A02E3_S6 三相 700V 200A,尺寸  86 x 43 mm,厚 6 mm, 車規雙面散熱 IGBT 模塊 ( Automotive Double Side Cooled Module )
    半導體耐壓越高,順向電壓亦隨著增高,要減少功率損耗,減少發熱,選擇合理耐壓元件,別選過高,按功率需求適當選用電源電壓,善用合適半導體元件,注意散熱。

新一代半導體 SiC 與 GaN
SiC ( Silicon Carbide ) 碳化矽 ( 硅 ),GaN ( Gallium Nitride ) 氮化鎵,稱為第三代半導體,已開發十多年,
*第一代 Ge 鍺 ( Germanium ) 與 Si 矽 ( Silicon ) 晶體,
*第二代 GaAs 砷化鎵( Gallium Arsenide ) 與 InP 磷化銦 ( IndiumPhosphide ),
*第三代 SiC 導熱優良,耐高溫,擊穿場強比矽高十倍,適用高壓、大功率,GaN 高頻性能優越,適合作 5G 通訊、千伏以下高效率電源轉換,是電車的生力軍,車用雷達 ( Radar )、光達 ( LiDAR ),
*第四代 SiC...更新科技已陸續登場:
SiC SBD ( Silicon Carbide Schottky Barrier Diode ) 碳化矽 ( 硅 ) 蕭特基二極管 ,耐壓可達數千伏,正溫度系數,可達至零回復時間 Zero Reverse Recovery,適合高速開關電路, SiC Fet 碳化矽場效應管,比傳統場效應管優勝,正溫度系數,耐熱,耐壓高達 10KV,正合電動車需求,同樣有 JFet、MosFet、Enhancement mode (常開)、Depletion mode (常關),還有與矽管結合的複合管,按用途分 700V、1000V、1200V、1700V 及 3300V。
13.jpg

(圖十三):Microsemi 的 MSC060SMA070B4 SiC MOSFET,耐壓 700V,最大電流 常溫 39A、100℃ 28A,導通電阻 60 mΩ,最高結溫 175℃,封裝 TO - 247 – 4

參考資料:
https://techclass.rohm.com.cn/knowledge/
https://www.genesicsemi.com/sic-mosfet/
https://www.genesicsemi.com/sic-schottky-mps/
https://www.infineon.com/cms/en/product/power/igbt/automotive-qualified-igbts/automotive-igbt-modules/fs200r07a02e3_s6/
https://www.microsemi.com/existing-parts/parts/151202
https://www.semikron.com/products/product-classes/igbt-modules/detail/skm50gd125d-21918010.html
https://www.st.com/en/diodes-and-rectifiers/ferd30h100s.html
https://www.vishay.com/docs/89393/lvb2560.pdf
https://www.vishay.com/diodes/list/product-96457/
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