1、电感本质 我们通常所说的电感指的是电感器件,它是用绝缘导线(例如漆包线,沙包线等)绕制而成的电磁感应元件。 在电路中,当电流流过导体时,会产生电磁场,电磁场的大小除以电流的大小就是电感。 电感是衡量线圈产生电磁感应能力的物理量。给一个线圈通入电流,线圈周围就会产生磁场,线圈就有磁通量通过。通入线圈的电源越大,磁场就越强,通过线圈的磁通量就越大。实验证明,通过线圈的磁通量和通入的电流是成正比的,它们的比值叫做自感系数,也叫做电感。 1.2 电感分类 按电感形式 分类:固定电感、可变电感。 按导磁体性质分类:空芯线圈、铁氧体线圈、铁芯线圈、铜芯线圈。 按工作性质 分类:天线线圈、振荡线圈、扼流线圈、陷波线圈、偏转线圈。 按绕线结构 分类:单层线圈、多层线圈、蜂房式线圈。 按工作频率 分类:高频线圈、低频线圈。 按结构特点 分类:磁芯线圈、可变电感线圈、色码电感线圈、无磁芯线圈等。 空心电感,磁芯电感和铜芯电感一般为中频或高频电感而铁心电感多数为低频电感 1.3电感的材质及工艺 电感器一般由骨架、绕组、屏蔽罩、封装材料、磁心等组成。 1)骨架:泛指绕制线圈的支架。通常是采用塑料、胶木、陶瓷制成,根据实际需要可以制成不同的形状。小型电感器一般不使用骨架,而是直接将漆包线绕在磁心上。空心电感器不用磁心、骨架和屏蔽罩等,而是先在模具上绕好后再 脱去模具,并将线圈各圈之间拉开一定距离。 2)绕组:指具有规定功能的一组线圈,有单层和多层之分。单层有密绕和间绕两种形式;多层有分层平绕、乱绕、蜂 房式绕法等多种。 3)磁心:一般采用镍锌铁氧体或锰锌铁氧体等材料,它有“工”字形、柱形、帽形、“E”形、罐形等多种形状。 铁心:主要有硅钢片、坡莫合金等,其外形多为“E”型。 4)屏蔽罩:用于为避免有些电感器在工作时产生的磁场影响其它电路及元器件正常工作。采用屏蔽罩的电感器,会增加线圈的损耗,使Q值降低。 5)封装材料:有些电感器(如色码电感器、色环电感器等)绕制好后,用封装材料将线圈和磁心等密封起来。封装材料采用塑料或环氧树脂等。 1.4 电感主要参数 1)电感量:也称自感系数,是表示电感器产生自感应能力的一个物理量。 电感量的大小,主要取决于线圈的圈数、绕制方式、有无磁心及磁心的材料等等。通常,线圈圈数越多、绕制的线圈越密集,电感量就越大。有磁心的线圈比无磁心的线圈电感量大;磁心导磁率越大的线圈,电感量也越大。 应用的工作频率越高电感的尺寸可以越小 同样的阻抗值,频率越高,感值越小 感值小,圈数可减小,电感的尺寸就可以做小 感值小,材质的导磁率亦不用太高 (材质的导磁率越高,越不适合在高频工作) 2)允许偏差:指电感上标称的电感量与实际电感的允许误差值。一般用于振荡或滤波等电路中的电感要求精度较高, 允许偏差为±0.2%~±0.5%;而用于耦合、高频阻流等线圈的精度要求不高;允许偏差为±10%~15%。 3)固有频率:电感的等效电路实际上是电感与电容的并联谐振电路,其震荡频率 f0= 即是固有频率。 也定义为感抗和容抗相等时对应的自谐振频率。使用电感线圈时,为保障线圈的电感量稳定,应使线 圈的工作频率远低于固有频率。 4)分布电容:指线圈的匝与匝之间、线圈与磁心之间存在的电容。电感的分布电容越小,其稳定性越好。 减小分布电容的方法: 1)如果磁性是导体,用介电常数低的材料 2)起始端与终止端远离(夹角>40°) 3)尽量单层绕制,并增加匝间距离 4)多层绕制时,采用渐进方式绕,避免来回绕制 5)直流电阻Rdc:指直流状态下测量器件的电阻值为直流电阻,表征器件内部线圈的质量状况。 6)阻抗Z:表征的是给定频率下元件对流经其本身的交流电流的总抵抗能力。 7)品质因数:也称Q值,是衡量电感质量的主要参数。它是指电感器在某一频率的交流电压下工作时,所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比。 电感器的Q值越高,其损耗越小,效率越高。在实际当中,Q不仅只与线圈的 直流电阻有关,还包括线圈骨架的介质损耗,铁芯和屏蔽的损耗以及在高频条件下工作时的趋肤效应等因素有关,提高线圈的Q值,并不是一件很容易的事情。 实际电感的应用选择必须同时兼顾较小的电感量波动与较高的Q值。 8)额定电流Ir:指电感正常工作时反允许通过的最大电流。若工作电流超过额定电流,则电感器就会因发热而使性能参数发生改变,甚至还会因过流而烧毁。 电感失效分析 电感器失效模式:电感量和其他性能的超差、开路、短路 模压绕线片式电感失效机理: 1.磁芯在加工过程中产生的机械应力较大,未得到释放 2.磁芯内有杂质或空洞磁芯材料本身不均匀,影响磁芯的磁场状况,使磁芯的磁导率发生了偏差; 3.由于烧结后产生的烧结裂纹; 4.铜线与铜带浸焊连接时,线圈部分溅到锡液,融化了漆包线的绝缘层,造成短路; 5.铜线纤细,在与铜带连接时,造成假焊,开路失效 1、耐焊性 低频片感经回流焊后感量上升 < 20% 由于回流焊的温度超过了低频片感材料的居里温度,出现退磁现象。片感退磁后,片感材料的磁导率恢复到最大值,感量上升。一般要求的控制范围是片感耐焊接热后,感量上升幅度小于20%。 耐焊性可能造成的问题是有时小批量手工焊时,电路性能全部合格(此时片感未整体加热,感量上升小)。但大批量贴片时,发现有部分电路性能下降。这可能是由于过回流焊后,片感感量会上升,影响了线路的性能。在对片感感量精度要求较严格的地方(如信号接收发射电路),应加大对片感耐焊性的关注。 检测方法:先测量片感在常温时的感量值,再将片感浸入熔化的焊锡罐里10秒钟左右,取出。待片感彻底冷却后,测量片感新的感量值。感量增大的百分比既为该片感的耐焊性大小 2、可焊性 电镀简介 当达到回流焊的温度时,金属银(Ag)会跟金属锡(Sn)反应形成共熔物,因此不能在片感的银端头上直接镀锡。而是在银端头上先镀镍(2um 左右) ,形成隔绝层,然后再镀锡(4-8um )。 可焊性检测 将待检测的片感的端头用酒精清洗干净,将片感在熔化的焊锡罐中浸入4秒钟左右,取出。如果片感端头的焊锡覆盖率达到90%以上,则可焊性合格。 可焊性不良 1)端头氧化:当片感受高温、潮湿、化学品、氧化性气体(SO2、NO2等)的影响, 或保存时间过长,造成片感端头上的金属Sn氧化成SnO2,片感端头变暗。由于SnO2不和Sn、 Ag、Cu等生成共熔物,导致片感可焊性下降。片感产品保质期:半年。如果片感端头被污染,比如油性物质,溶剂等,也会造成可焊性下降 2)镀镍层太薄,吃银:如果镀镍时,镍层太薄不能起隔离作用。回流焊时,片感端头上的Sn和自身的Ag首先反应,而影响了片感端头上的Sn和焊盘上的焊膏共熔,造成吃银现象,片感的可焊性下降。 判断方法:将片感浸入熔化的焊锡罐中几秒钟,取出。如发现端头出现坑洼情况,甚至出现瓷体外露,则可判断是出现吃银现象的。 3、焊接不良 内应力 如果片感在制作过程中产生了较大的内部应力,且未采取措施消除应力,在回流焊过程中,贴好的片感会因为内应力的影响产生立片,俗称立碑效应。 判断片感是否存在较大的内应力,可采取一个较简便的方法: 取几百只的片感,放入一般的烤箱或低温炉中,升温至230℃左右,保温,观察炉内情况。如听见噼噼叭叭的响声,甚至有片子跳起来的声音,说明产品有较大的内应力。 元件变形 如果片感产品有弯曲变形,焊接时会有放大效应。 焊接不良、虚焊 焊接正常 焊盘设计不当 a.焊盘两端应对称设计,避免大小不一,否则两端的熔融时间和润湿力会不同 b.焊合的长度在0.3mm以上(即片感的金属端头和焊盘的重合长度) c.焊盘余地的长度尽量小,一般不超过0.5mm。 d.焊盘的本身宽度不宜太宽,其合理宽度和MLCI宽度相比,不宜超过0.25mm 贴片不良 当贴片时,由于焊垫的不平或焊膏的滑动,造成片感偏移了θ角。由于焊垫熔融时产生的润湿力,可能形成以上三种情况,其中自行归正为主,但有时会出现拉的更斜,或者单点拉正的情况,片感被拉到一个焊盘上,甚至被拉起来,斜立或直立(立碑现象)。目前带θ角偏移视觉检测的贴片机可减少此类失效的发生 焊接温度 回流焊机的焊接温度曲线须根据焊料的要求设定,应该尽量保证片感两端的焊料同时熔融,以避免两端产生润湿力的时间不同,导致片感在焊接过程中出现移位。如出现焊接不良,可先确认一下,回流焊机温度是否出现异常,或者焊料有所变更。 电感在急冷、急热或局部加热的情况下易破损,因此焊接时应特别注意焊接温度的控制,同时尽可能缩短焊接接触时间 回流焊推荐温度曲线 手工焊推荐温度曲线 4、上机开路 虚焊、焊接接触不良 从线路板上取下片感测试,片感性能是否正常 电流烧穿 如选取的片感,磁珠的额定电流较小,或电路中存在大的冲击电流会造成电流烧穿,片感或磁珠 失效,导致电路开路。从线路板上取下片感测试,片感失效,有时有烧坏的痕迹。如果出现电流烧穿,失效的产品数量会较多,同批次中失效产品一般达到百分级以上。 焊接开路 回流焊时急冷急热,使片感内部产生应力,导致有极少部分的内部存在开路隐患的片感的缺陷变大,造成片感开路。从线路板上取下片感测试,片感失效。如果出现焊接开路,失效的产品数量一般较少,同批次中失效产品一般小于千分级。 5、磁体破损 磁体强度 片感烧结不好或其它原因,造成瓷体强度不够,脆性大,在贴片时,或产品受外力冲击造成瓷体破损 附着力 如果片感端头银层的附着力差,回流焊时,片感急冷急热,热胀冷缩产生应力,以及瓷体受外力冲击,均有可能会造成片感端头和瓷体分离、脱落;或者焊盘太大,回流焊时,焊膏熔融和端头反应时产生的润湿力大于端头附着力,造成端头破坏。 片感过烧或生烧,或者制造过程中,内部产生微裂纹。回流焊时急冷急热,使片感内部产生应力,出现晶裂,或微裂纹扩大,造成瓷体破损。
摘要: 导热绝缘材料指的是一种具备绝缘和导热性能的材料,在微电子集成技术不断发展的过程中,逻辑电路和电子元器件的体积比较小,工作频率也在不断增加,元器件工作环境温度提高。为了使电子元器件可靠的工作,高导热绝缘材料被广泛应用到电子封装、微电子、电机电器等行业中。大部分聚合物材料的热导率比较低,无法作为导热材料,所以要设置导热性物质,使导热率增加。因此,对导热绝缘材料在电子器件中的应用进行分析,开发耐高温、导热性的材料,促进电力电子器件朝着耐高温工作方向发展。 热绝缘材料指的是一种具备绝缘和导热性能的材料,电阻率大于1010Ω·m。但是为高导热绝缘材料进行定义,并没有明确的界限,在不同应用场合对于导热性能好坏定义具有一定的差别。比如,导热绝缘材料在电力电子器件中使用的时候,对于聚合物、陶瓷等不同类型基板,导热性能的优良性定义各有不同。总体来说,陶瓷基板导热性能比聚合物基板要好[1]。 1导热绝缘材料的物理基础特性 功率半导体模块能够实现电能控制与转换,为节能减排核心技术和基础器件,在新能源、输配电、轨道交通和电动汽车等领域使用。功率模块封装技术为集材料性能研究与应用为一体的综合性学科,封装材料因为功率模块封装方式多样化而不同。通过材料种类划分为无机材料和有机材料,无机封装材料包括水凝胶陶瓷、玻璃等因为烧结温度过高导致应用比较少;有机封装材料包括环氧树脂、有机硅等高分子材料,在功率模块中使用范围比较广。绝缘栅双极晶体管(IGBT)的主要特点为尺寸小、通态电流大、导通电压低等,IGBT模块根据封装形式的不同分为焊接式和压接式。 根据热动力学说,热指的是通过电子、原子和分子等构成的转动、移动和振动的热量。所以,物质导热机理和构成物质的微观粒子运动具有密切关系。固体内部导热载体包括声子、光子和电子,因为电子自身具备的电荷,电子迁移中具有大量能量,导热率比较高。但是导电体没有绝缘性能,不能够在绝缘材料制备中应用。因为光子热传导作用材料要具备投射性,只能够应用特殊玻璃或者单晶体,没有普遍意义。普通固体材料通过声子出现导热作用,比如金属氧化物和无机非金属材料,此物质晶体结构有序性会使声子平均自由程要大[2]。 导热绝缘高分子材料包括非晶体和晶体2种,通过导热机理分析,晶体导热机理为晶粒热振动,利用声子概念描述;非晶体导热机理是根据无规律排列分子或者原子根据固定位置做热振动使能量对原子和分子传递。因为非晶体能够作为细晶粒的晶体,还能够作为声子对导热进行分析。高分子材料自身的结晶度并不高,并且结晶不完整,晶格和分子的树脂界面、非谐性振动和缺陷等情况导致声子散射,从而降低了聚合物导热系数。 要想制备高导热聚合物分子,通过结构方面分析,高聚物分子具备完善结晶取向结构和共轭结构。但是,导热高分子加工工艺比较复杂,无法实现规模化生产。所以,根据近代固体物理热传导理论,将具有较高导热率的填料掺杂在聚合物基体材料中,从而制得导热聚合物基复合材料[3]。 针对填充型导热聚合物基材料,导热系数和聚合物数值基体相关。在树脂中分散的导热填料包括纤维状、粒状和片状等形状,在填料添加量比较低的时候,通过孤立方式存在于聚合物基体中。此时,连续性为聚合物基体,填料被聚合物集体包覆,和聚合物共混体系的海岛两相体系结构类似。但是,在填料添加量超过阈值的时候,填料或者聚集体会接触局部导热链通过复合材料构成。如果增加填料量,局部导热网和导热链相互贯穿,构成导热网络,提高填充复合材料导热性能。在导热填料添加量得到特定值的时候,颗粒能够相互的接触,构成通路,为高聚合物从热不良导体转变为良导体。此转变指的是逾渗,和其相关的理论能够应用在填充型导热负荷材料中[4];表1为导热聚合物材料的关键性能指标。 2有机硅材料特性分析 有机硅材料属于可靠、稳定的高分子材料,主要作用为灌封与导热。有机硅凝胶为固体和液体2种相态的固液共存的特殊硅橡胶,质地柔软,并不会对电子芯片造成机械应力。即便是在-50~200℃的条件下,柔软性能不会发生改变,能够对IGBT芯片避免湿气侵蚀,实现减震、防尘、防潮、绝缘等效果。有机硅凝胶种类比较多,反应类型包括缩合型和加成型。缩合型有机硅胶的自修复性和粘接性,在反应过程中存在小分子物质,收缩率比较大,无法实现功率半导体封装。加成型有机硅凝胶通过贵金属催化剂、含氢硅油和乙烯基硅油等构成,反应过程就是活性氢和乙烯基的加成反应,没有副作用和收缩。所以,在IGBT模块封装过程中使用加成型有机硅凝胶[5]。 普通线性聚二甲基硅氧烷凝胶存储在175℃以上的环境中超过1000h比较脆,降低介电性能和力学性能。普通有机硅凝胶存储在200℃环境中会开裂和黄变,降低了材料性能,这是因为有机硅凝胶纯度不足导致,出现此种情况是受制备工艺和原材料纯度等影响所致。过高的离子含量有机硅凝胶在长时间的高电场和高温环境下会出现硬化、黄变和金属离子迁移等情况,对IGBT模块可靠性造成影响。所以,要重视有机硅凝胶。瓦克所开发的超纯度有机硅凝胶总残余离子含量不超过2×10-6,在IGBT模块封装方式不断发展的过程中,对有机硅凝胶在封装中的使用提出了一定的要求,有机硅凝胶的耐高温性、高纯度与高阶电性为发展主要方向[6]。 3环氧塑封材料特性分析 环氧塑封材料能够对电路内部芯片进行保护,避免外界环境影响到芯片,所以使用热导率和机械强度比较高。通过构成方面分析,封装材料包括塑料、陶瓷和金属等,塑料封装材料占据95%左右。塑封材料重点为环氧树脂,在汽车行业、航空航天和电力电子方面广泛使用。 环氧塑封材料指的是高分子复合材料,将环氧树脂作为机体,使固化促进剂、固化剂、填充剂等根据一定比例利用适当工艺混合成为环氧模塑料。环氧树脂的主要性能为具备良好粘接性,和大部分物质都具备良好粘附性;具有良好收缩性,通过交联固化并不会产生小分子副产物;交联后构成三维立体结构,力学性能良好。国外环氧树脂塑料产业发展比较早,并且产品大部分都处于高端的位置。我国环氧树脂产业的起步比较晚,目前出现了大批全新的环氧树脂产业。环氧塑封材料具备刚性特性和热膨胀系数的特点,并且耐温性能有限,所以中低压MOSFET电力电子模块被广泛使用[7]。 4环氧灌封胶特性分析 在IGBT模块运行的过程中会受到高潮湿、冲击、机械振动等不利因素的影响,所以要求环氧灌封胶的抗冲击性、硬度和吸水率可靠性良好。热失效会导致IGBT失效,所以要对IGBT封装材料热性能进行重视。环氧树脂和固化物交联密度、分子量等都会对分子链段运动造成阻碍,影响到灌封胶的热稳定性。图1为不同环氧灌封胶热失重分析曲线,通过TGA曲线对比起始分解温度和不同温度残留率。通过对比分析[10⁃11],2号环氧灌封胶的耐热性良好。 此环氧灌封胶树脂类型指的是低粘度脂环族环氧树脂,固化剂为甲基六氢苯酐的促进剂。通过TMA测试结果表示,此环氧灌封胶使用大分子链的酚醛树脂,分子柔性比较大[9]。 温度变化会使环氧灌封胶体开裂,从而影响到封装结果。所以,环氧灌封胶温度性能对于IGBT模块的影响是最大的。使用的环氧灌封胶能够通过高温存储测试,具有较大的CTE值,通过温度循环和低温存储后脱离外壳和胶体,封装失效,说明耐高温下的环氧灌封胶出现问题,所以要对其应用、种类和氧含量进行调整和优化[12]。 5结语 电力电子器件朝着高电压、高温度的方向发展,促进封装结构朝着微型化、高功率密度化的方向发展,对于封装材料的要求比较高。为了使电力电子封装材料应用效果得到提高,在此方面要加大投入,针对材料性能和自身分子结构的关系实现关联机制的创建,从而开发耐高温、导热性的材料,促进电力电子器件朝着高温工作方向发展。
详细描述了一个家用空气净化器项目,涉及空气检测、气味传感器的信号处理、MOS管作为开关的应用,以及电路原理图设计,包括元器件选择、模拟信号处理和优化,最终目标是实现自动化的开关控制和模拟到数字信号的转换 目录 1、项目背景介绍 2、项目资源评估 3、如何设计原理图(含元器件原理分析) 4、元器件选型 5、原理图绘制 1、项目背景介绍 项目用在家用或办公领域,当空气有一定的污染时,打开净化系统开始进行空气净化和杀菌处理,经过一定时间处理后,当空气中空气经过净化且重回健康后,关闭净化系统。 2、项目资源评估 需要的条件: 1、气味传感器,对空气检测,并转换成电压信号(大部分的传感器是把某一种形态的物理量转换成电信号),电压信号比较小,需要对其进行放大 2、对电压信号进行放大处理,用放大后的电压信号通过比较器来控制机器的开和关(可以改变幅值和向量的变化) 3、需要运算放大器,比较器,开关 4、电源15VDC 3A(适配器,直接买) 5、需要有15V 2A直流有刷马达(通过MOS管(作为开关使用)来控制马达) 3、如何设计原理图(含元器件原理分析) 元器件分析: MOS管:N型MOS(N沟道),P型MOS管(P沟道) NMOS管由于自身的特性,开关的速度特别快,耐压高,通过的电流能力比较强;PMOS管由于工艺的影响,开关的速度没有NMOS管快,损耗量比NMOS管大,耐压相对较低,通过的电流相比于NMOS管比较弱 有一个二极管,封装在MOS管的内部,当NMOS管正向流通的时候,二极管是不导通的,当DS不导通的时候,电流可以往回流,对能量进行回收 NMOS管的导通条件:Ug-Us>10V 施加的是电压源 MOS管的状态:关闭和截止(Ug-Us<4.5V ),放大状态(Ug-Us约等于4.5V)即4.5V即为阈值电压 (等效成n型三极管的基极的阈值电流(0.5mA)超过0.5mA,三极管就工作在饱和状态,低于0.5mA的时候就工作在放大状态,再低于一定程度的时候,三极管就处于截止状态) 具体的MOS管详情,请参考MOS管(又叫场效应管这一篇文章) 4、元器件选型 MOS管作为开关用的原理分析 这样情况,在开关导通到15V的时候,会通过电阻形成一个压降,同时会对MOS管进行充电,在充电到阈值电压的时候,MOS管将会导通,在导通之后,MOS管的源极电压将会变成15V,这样就会导致源极的电压>栅极的电压,MOS就会关断,源极电压为0,就会重复上一个动作。这里可以参考N型三极管理解 正确电路 在 15V导通的时候,由于源极接的是地,无论怎么样,栅极和源极之间的压差都会大于平台电压,所以MOS管会一直导通;在GND导通的时候,MOS管会通过电阻对内部的电容进行放电,由于MOS是不导通的,内阻无限大,所以漏极就近似的等于+15V,所以马达上面没有压差,就没有电流,所以,马达是不转的。这样就通过控制MOS管的开和关,控制了马达的转和不转! MOS管内部分为三种状态 结论:NMOS管作为开关使用,S(源极)必须接地 在本次项目中,我们要实现开关自动化打开和关闭,不妨想一想应该怎么解决 1、当左边输入高电平的时候,Q3,Q4是导通的,R11左边的电压大约是0.3V,近似的等于0V,这种时候,Q2也是导通的,并且P管射极的电压大约的等于15V(不考虑三极管的内阻),这样就会对MOS管进行充电,马达转动。 2、当左边输入为低的时候,Q3是不导通的,R9下方的电压就会非常的大,Q2也是不导通的,R10左右两边都没有电压,MOS管就通过R10进行放电,马达停止转动。 同时实现导通和关断的速度都是特别快的! 分析不足:Q2和Q1会不会存在同时导通的情况 输入的信号为模拟量,会有中间的状态,即假设输入的电压为1.5V的时候,Q3,Q2导通,Q4也会导通(没有完全导通)工作在放大状态,Q4的C极电压可能是1V,也可能是>1V ,这时候,Q1shi导通,即Q2和Q1是短路的,就会出现串红现象,热损坏很大,容易损坏器件。 优化后的电路图 1、左边输入为高信号的时候,Q5是导通的,电流能够达到200mA,同时会对MOS管进行充电,当充电到14.3V的时候,Q5截止,当MOS管的电压>14.3V的时候,Q5又会导通;Q6是不导通的,Q6 B级的电压是15V,而E极的电压无论怎么样,都是达不到15V的,这时候的Q6就处在反向截止的状态。 2、当左边输入为低的时候,Q6的E极是14.3V,相对于B极,是有压差的,所以说Ib是有的,这样Q6就是导通状态,MOS管就会通过Q6进行放电;Q3,由于B极上面没有正向压差,所以是反向截止的,是一直不导通的。 我们把这样的电路称之为推挽电路 :把N管和P管接在一起,在任何时候,都只有一个管子导通,也能够实现快速开通和快速关断 MOS管和三极管的区别: 2、运算放大器 最基本的放大电路 1、当Ib通过的电流Ib>1mA的时候,三极管工作在饱和状态 2、当Ib通过的电流0.1mA