半导体器件分析篇1
关键词：半导体器件；寿命；浪涌；静电；软启动；消浪涌电路
中图分类号：tn709；tn307文献标识码：a文章编号：2095-1302（2016）01-00-03
0引言
随着半导体器件的广泛使用，其寿命指标受到业界普遍关注。半导体器件寿命的延续是一种性能退化过程，最终导致失效[1]。造成这种退化的原因很多，如人为使用不当、浪涌和静电击穿等，但通过一定的预防措施和增加必要的附加电路可以有效延长半导体器件的寿命。
1半导体器件的退化和失效
大量试验表明，半导体器件的失效随时间的统计分布规律呈浴盆状，如图1所示。失效期包括早期的快速退化失效、中期的偶然失效与后期的快速损耗失效。早期快速失效一般是由半导体材料本身原因造成；中期偶然失效期的时域较宽，在此期间导致半导体器件失效的原因具有一定的偶然性；后期失效概率较高，主要由各种损耗积累与综合爆发引起[2]。由此可知，只要通过初期的严格筛选，同时加强质量管理和改进生产工艺，防止偶然失效，半导体器件就能获得较长的寿命[3]。
图1半导体器件失效期随时间的分布
2半导体器件寿命影响因素及预防措施
pn结是半导体器件的核心，对电压冲击的承受能力很差，一旦被击穿，便无法产生非平衡载流子。在使用过程中，半导体器件的损坏多半是由浪涌或静电击穿造成的。
浪涌是一种突发性的瞬间电信号脉冲，具有很强的随机性，一般表现为尖脉冲，脉宽很窄，但峰值较高，容易使半导体器件瞬时过压造成pn结击穿，即使不致于一次性使半导体器件产生完全失效，但在多次浪涌的冲击下也会加速它的性能退化和最终失效[4]。在电路的使用过程中，出现比较多的浪涌是开启或关断电源时抑或器件接触不良时产生的电压/电流冲击，以及由于电网波动或其它大功率电器启动而产生的电压/电流冲击。另外，静电也是造成pn结损坏或击穿的重要原因。表1给出了产生浪涌和静电的几种常见原因及其特征和预防措施。
3模拟电路中浪涌消除电路
3.1短路保护开关
为半导体器件并联一个电阻较小的短路保护开关是一种简单的消浪涌方法[5]。当需要启动半导体器件电源时，先闭合短路保护开关，让启动电源瞬间产生的浪涌经短路保护开关放电，待电源工作稳定后，断开短路开关，稳定的电源便可正常工作于半导体器件。当需要关闭电源时，先闭合短路保护开关，然后断开电源开关，以避免瞬间电流浪涌损坏半导体器件。实践证明，该方法对消除开关驱动电源时瞬间产生的电压/电流浪涌冲击是可行的。但也存在不足，即该方法不仅给半导体器件操作员增加了一部分繁琐的工作量，且无法消除来自外电路的浪涌所带来的影响。
3.2电源软启动电路
为解决以上不足，可采用电源软启动电路，该电路不但可以消除电源启动/关闭瞬间产生的浪涌，还可以保证半导体器件两端避免突然加上阶跃电压，因为这种上升沿很陡的电压，即使幅值很低，也会对半导体器件产生不良影响[6]。图2（a）和图2（b）给出了有/无采取软启动情况下半导体器件驱动电流i随时间t的变化。在没有电源软启动电路的情况下接通电源开关，驱动电源会产生幅度较大的电流浪涌，随后经过过渡过程才趋向稳定。采用电源软启动电路之后，工作电压不会瞬间加在整个稳流电路上，而是在一定的时间内，电流从零开始逐渐上升到正常工作值。
图2有/无软启动情况下驱动电流i与时间t的关系
软启动电路在电源电路中已得到了广泛应用，该过程可以由计算机控制实现，且可靠性高，稳定性好，但是价格比较昂贵。实际上，对于一些简单的、普通的半导体器件电源电路，只需对电源电路稍加改进，便可实现软启动，图3给出了一个利用RC充电原理实现软启动的电源电路，电路中的R1、C7、C8、Q1、Q2为电压缓慢上升电路，电路两边增加了两个π型滤波器电路，防止电流突变。该软启动电路可以使得半导体器件两端的电压逐渐加上，不会产生浪涌信号对半导体器件带来破坏。
4数字电路中浪涌消除电路
在很多情况下，半导体器件的管脚不是通过焊接而是直接插入管座中，然而管脚和插座接触不良或者机械振动都会造成时通时断而产生连续多个电压浪涌。另外，某些功能控制开关和功率调节开关接触不良或动作瞬间也会产生连续多个电压浪涌。在数字电路中，这些电压浪涌幅值较低（波形表示为短脉宽的高/低电平"1"和"0"），这些浪涌边沿很陡，呈高低电平交替状态，若未经处理直接将它加在半导体器件两端会影响其寿命，同时也会给系统带来干扰。
图3电源软启动电路
图4给出了一款应用于数字电路中具有消除连续多个电压浪涌功能的电路。电路中的CLnR是触发器清零信号，K1_in和K2_in表示两组带有浪涌的输入信号，K1_out和K2_out表示所对应的经过消浪涌后的输出信号。电路采用了分频采样、移位寄存和计算判断方法，采用4个D触发器连续对输入信号K1_in进行移位采样，并随时钟信号的触发寄存于数组K1[4..1]中。若数组中相邻两个数据都为高电平就默认为高电平"1"，其它情况则表示低电平"0"。用逻辑最简公式表示为：K1_out=K11K12+K13K14+（！K11）K12K13（！K14）。由于半导体管脚和插座接触不良或机械振动等现象引起的连续电压浪涌扫描周期一般不超过10ms，因此电路中采用了频率为200Hz、周期为5ms的clk_200时钟信号进行数据移位寄存。图5给出了该电路在Quartusii环境下的仿真波形。
图5数字电路中浪涌消除电路仿真波形
从仿真结果可以看出，当输入信号K1_in在低电平输入过程中连续出现多个脉宽小于或等于10ms的高电平浪涌时，输出信号K1_out仍为低电平；当输入信号K2_in在高电平输入过程中连续出现多个脉度小于或等于10ms的低电平浪涌时，输出信号K2_out仍为高电平。由此可知，该电路能很好地消除连续出现的浪涌，作为半导体器件浪涌消除电路可有效延长半导体器件寿命指标，并具有良好的抗浪涌信号干扰的能力。另外，从信号延时来看，该电路的输入信号仅有5ms的时序延时，与同类的浪涌消除或抖动信号消除电路相比较，该延时较小。
5结语
随着半导体器件生产工艺日趋成熟，其应用范围已覆盖了国防、工业、科研和民用等领域，并发挥着重要的作用[7，8]，因此，有必要针对它的寿命特性和延寿方法开展进一步的研究。文中分析了影响半导体器件寿命的主要原因，讨论了浪涌和静电的特点及其预防措施，分别给出了应用于模拟电路和数字电路中的电源软启动电路和连续浪涌消除电路，电路结构简单，性能良好，值得推广。
参考文献
[1]赵霞，吴金，姚建楠.基于失效机理的半导体器件寿命模型研究[J].可靠性物理与失效分析技术，2007，25（6）：15-18.
[2]李适民，黄维玲.激光器原理与设计[m].北京：国防工业出版社，2005.
[3]刘婧，吕长志，李志国，等.电子元器件加速寿命试验方法的比较[J].半导体技术，2006，31（9）：680-683.
[4]黄德修.半导体光电子学[m].北京：电子工业出版社，2013.
[5]罗文超，徐钊，盛祥佐.一种基于DDS的QpSK调制器及其FpGa实现[J].电讯技术，2007，47（4）：156-158.
[6]SuematsuY，adamsaR.Handbookofsemiconductorlasersandphotonicintergratedcircuits[m].Springer：1994.
半导体器件分析篇2
关键词虚拟仪器；LabView；半导体测试；传统仪器
中图分类号tn3文献标识码a文章编号1674-6708（2016）166-0225-02
半导体测试伴随着半导体产品从研发设计到生成加工的整个过程，其测试内容涉及wafer测试、电气测试、良品率测试、封装测试、Ft测试等，其测试结果直接关系到半导体产品的性能和半导体企业的成本，因此半导体测试是半导体产业链中非常重要的组成部分。
同时，半导体产业的飞速发展和半导体产品性能的不断提升对相应的半导体测试方法提出了更高的要求，其测试系统需要不断地升级和改进，其测试人员需要推出新的测试方案或开发升级补丁。由于虚拟仪器技术在测试领域的强大优势，将其扩展性强、软硬件无缝集成、性能强的特点与半导体测试系统相结合将会具有广泛的应用前景，本文提出了一种将虚拟仪器技术的优势应用在半导体测试系统当中的测试方法。
1半导体测试的特点
1.1半导体测试在产品成本中所占比重越来越大
半导体产品生产企业每日有巨大的芯片数量有待测试[1]，巨大的数量就带来了巨大的测试压力。而且每一块芯片从晶圆、光刻、掺杂、切片、封装等多个工艺过程进行加工，由于工艺过程极其精细和复杂，在每一个测试节点都需要进行测试，对那些测试不合格的芯片不再进行下一环节的加工处理，这就需要大量的员工协同工作，这又会给半导体企业带来巨大的设备投入和人员成本。随着芯片性能的不断提高，芯片不但要完成信号的计算处理和存储功能，还要有滤波、通信、数模混合的功能，复杂高性能的芯片对测试系统的要求会更高，由此导致半导体企业在测试系统的研发和设计上会投入更多的成本费用[2]。
1.2国内半导体测试服务还存在很多不足
全球半导体业发展到今天，测试已经成为产业链中独立的、不可缺少的一环，而对于刚刚提速的国内半导体行业来说，测试服务是一个薄弱环节，虽然国内有外资企业设立的测试机构，但其测试服务只针对外资企业本身，而国内的测试服务公司大都不是从大生产企业分离出来的，而是白手起家，因此在经验上缺少积累，很多测试生产过程的管理、质量控制手段等关键技术还需要向国外的测试公司学习[3]。国内半导体产品测试不可能完全依赖外资企业，发展自己的半导体测试服务已经刻不容缓。
2虚拟仪器与传统仪器的比较
虚拟仪器是信息技术大发展的背景下产生的，特别是计算机科学对传统仪器行业带来的冲击和碰撞，它是仪器技术与计算机技术深层次的融合。虚拟仪器比较于传统仪器，基本的操作面板和测试功能是一样的，除此之外，虚拟仪器还拥有传统仪器所不具备的特殊优势。
2.1灵活的软硬件结合，节约测试成本
虚拟仪器的出现改变了原先传统仪器硬件固定化的局限，允许测试人员根据实际测试情况灵活地选择仪器的软硬件，这样做的优势是模块化的硬件在不同的组织搭配下，可以完成多个测试任务，从而大大地节省了硬件成本。例如，同样的虚拟仪器硬件结合不同的应用程序软件，既可以监视和记录这个电机的功率，又可以测量电机的运行位置。由此，随着任务的增加和时间的叠加，虚拟仪器累积节约的成本会越来越多。
传统仪器会有适用范围极限，在适用范围满足不了测试任务的情况下，就需要更换性能更高的测试仪器，这种做法会让仪器功能重叠且浪费成本。虚拟仪器硬件具有很高的性能，当有主流计算机相关的新技术出现时，只需要更换虚拟仪器有关的部件即可，能够享受到计算机飞速发展带来的红利。
2.2虚拟仪器技术扩展性强且应用广泛
虚拟仪器采用模块式结构，以仪器的功能特点划分为许多通用的模块，基本的形式有输入、输出、数据采集、数据处理等模块，对于不同的测试任务可以选择不同的通用模块组建一台相应的虚拟仪器，如果想提高测试系统的性能或者改变测试任务，可以方便地更换或者加入某几个通用模块，这些模块都可以通过软件驱动程序在软件开发环境里调用起来，从而避免了仪器的重复购置。这样做的好处是：不但测试组件简化，而且拓宽了测试应用领域。
2.3与传统仪器完全兼容
虚拟仪器不但可以搭载自身的硬件模块，其软件平台还提供了一些第三方函数库，通过总线连接函数库可以跟传统仪器通信。除此之外，许多传统仪器厂商也会提供一个接口函数，通过驱动程序可以连接到传统仪器，它相当于一个仪器接口，每一个驱动程序就是它独特的功能仪器接口，配合独特的驱动程序，传统仪器就可以在虚拟仪器软件平台上完全兼容[4]。由此，测试用户可以根据自身的情况，将虚拟仪器和传统仪器结合使用，使其身边拥有的资源合理高效地使用起来。
3虚拟仪器技术在半导体测试中的应用
半导体行业的快速发展促进半导体测试的飞速前进，将计算机技术与传统仪器结合的测试方法运用在半导体测试领域当中，不但可以发挥虚拟仪器本身的优势，还能使用到计算机技术强大的数据处理与分析能力，同时，将测量记录方式从模拟调整到数字，使得半导体产品的测试速度更快、准确度更高[5]。
3.1半导体测试系统功能设计
半导体测试涉及范围较广、实现的功能复杂，测试系统的功能实现之后还要进行分析和统计处理，测试系统设计以满足半导体测试的自动化和快速化为目的，这就需要测试系统研发和设计人员对测试对象和测试过程充分地了解，选择合适的虚拟仪器功能硬件和开发相应的应用软件以满足相应的需求，半导体测试系统结构框图如图1所示。
如图1所示，虚拟仪器应用软件在很大程度上决定了半导体测试系统的功能，所以要完善软件系统设计，注意软件的实用性、可靠性及运行稳定性。
3.2测试系统人机界面设计
测试系统最终是要服务于人的，好的人机界面设计会带来一个好的用户体验，不但要有测试系统所要求的功能，还应该考虑到软件的易用性和美观。一般测控系统会碰到测试量庞大、控制量多、测试流程复杂的测试任务，再利用计算机对一些数据进行分析和处理，这时，合理的设计菜单，就会让多种子界面在主界面完成调用，实现了在一个用户界面里使用到测试系统不同的功能模块。除此之外，更不能忽略测试用户的操作习惯，设计软件交互动作时，太复杂的操作会让测试用户感到疲倦，太简单的操作会让用户觉得缺少信息，所以合理的提示信息是必要的，分层、分级、分事件的交互处理方式会让交互软件变得更友好，合理的软件界面颜色搭配也会促进测试人员与交互软件之间的交流。
3.3测试数据分析与处理
虚拟仪器的优势之一就是可以利用计算机技术强大的功能，例如，搭载互联网技术、计算机本身的数据存储和数据处理功能等，而半导体测试领域需求最多的测试系统，都是为了验证产品的性能参数，针对不同的测试对象，所关心的性能参数千差万别，但是都可以应用相关专业的计算方法得到性能参数的结果，随后判定参数的优劣以进行下一个环节。
最后，产品质量监管部门对测试结果还可以进行数理统计分析，得到半导体产品质量的分布曲线，判断出半导体产品是否存在质量问题，查找和分析可以改进的生产环节，努力提高半导体产品质量。
4结论
本文提出了一种将虚拟仪器技术的优势应用在半导体测试系统当中的测试方法，半导体测试人员不但能够灵活的自定义与测试任务相关的仪器功能，还能够简化测试系统组件以节约成本，同时，结合计算机技术强大的数据处理与分析能力，还能够使其半导体产品的测试速度更快、准确度更高。值得注意的是，虚拟仪器应用软件在很大程度上决定了半导体测试系统的功能，这就需要测试系统研发设计人员充分了解测试对象和测试过程，注意测试系统的实用性、可靠性及运行稳定性。
参考文献
[1]刘广荣.全球12英寸芯片生产线稳步推进[J].半导体信息，2007（5）：12-15.
[2]杨立功，于晓权，李晓红，等.半导体可靠性技术现状与展望[J].微电子学，2015（3）：391-394.
[3]诸玲珍.半导体测试：不可或缺的一环[n].中国电子报，2004-11-05（09）.
半导体器件分析篇3
关键词：半导体光电；研究型；实践；教学探索
中图分类号：G42文献标志码：a文章编号：1674-9324（2015）07-0123-02
近几年来，随着半导体电子产业和光学专业的快速发展，半导体光电正逐渐成为一门新兴的学科。半导体光电技术是集现代半导体技术、电子学技术和光学信息处理技术等学科于一体的综合性学科，要求学生具有扎实的半导体物理、光电子、数学和计算机等基础知识。该学科作为光、机、电、算、材一体的交叉学科，专科课程较多，涉及知识面较广，有其自身的课程特点：既要讲授半导体相关的专业知识，又要补充光电专业的知识，还要加强数理基础理论教学；既要围绕半导体光电专业核心，又要涉足其他专业领域；既要重视教学方法，提高教学质量，又要加强前沿知识的学习和科研，不断更新知识体系，将最新的行业信息灌输给学生。同时，随着近年来固态半导体LeD照明技术、半导体激光、太阳能光伏和半导体探测器等高新行业的蓬勃发展，需要大量的具有创新研究能力的技术人才来从事半导体光电材料、器件以及系统的研究和开发。这就需要高校培养具有动手能力强，基础知识扎实，综合分析能力优秀的研究型人才。但是目前高校半导体光电学科的教学普遍停留在理论层面，缺乏实践性内容的提升。因而作为一门实用性很强的专业，应着重加强理论与实践相结合的全面教学，逐步开展研究性课程的教学探索，打破传统的教学理念，以形成学生在课程学习中主动思考探索并重视创新叉研究的积极教学模式，为半导体光电学科建立一个全新的培养方式。
一、理论教学中创设前沿性课题，引导学生进行探究性学习
在传统的教学模式中，专业课程的讲授主要依靠讲解概念、分析原理、推导公式、得出结论。而学生就是按部就班地记笔记、做习题、应付考试。课堂教学效果完全取决于教师的教学经验，最终学生所接受的知识也仅仅停留在课本的层面，这完全达不到迅猛发展的高新的半导体光电学科的培养要求。这就需要教师打破传统的教学理念，开展研究性的教学方式。研究性教学是以学生的探究性学习为基础，教师提出一些创新性的问题，以及与专业相关的一些前沿性科技专题报道，学生在创新性的问题中，借助课本提供的基础理论和教师提供的相关资料，借鉴科学研究的方法，或独立探索、或协作讨论，通过探究学习、合作学习、自主学习等方式最终找到解决问题的方案，甚至提出更具有创新性的思路。因此，在教学过程中，我们应尝试减少课堂讲授时间、增加课堂讨论时间，有意识地提出一些较深层次的问题：如提高太阳能电池的光电转换效率的方法、新型的半导体材料制作光电器件的优异性等，有针对性地组织专题讨论。考核方式以课程设计或者专题论文的形式进行，以培养学生的思考和创新研究能力。此外，要重视阶段性总结和检查工作，培养学生综合素质和能力。教师在注重教学方式改进的同时，也要重视学生学习效果的阶段性检查和总结。传统的课堂教学是以作业为考察标准，这种考察的弊端是给学生提供了抄袭作业的机会，学习效果不佳。因此应考虑采取多元化的检查方式，增加检查手段。可以让学生将多媒体课件与教材和参考书相结合，根据教师在课堂教学中指出的难点和重点，单独总结出学习笔记，并进行定期检查。
二、建立半导体专业与光电专业协同的教学环境
半导体光电从理论上来讲是研究半导体中光子与电子的相互作用、光能与电能相互转换的一门科学，涉及量子力学、固体物理、半导体物理等一些基础学科；从实践层面来讲，也关联着半导体光电材料、光电探测器、异质结光电器件及其相关系统的研究。因此，在理论上应鼓励教师根据教学情况，编写有针对性的，并且包含基础物理学、半导体电子学、光学和系统设计等具有交叉性理论的教材和讲义，提升学生在半导体光电交叉领域的理论基础。同时需要组织和调动各层次教师，建设教学研究中心。结合老教师的经验和青年教师的创意，共同进行教学改革探索。另外，实现半导体光电学科的教学探索，不仅需要专业教师改进和完善课堂教学措施，提升教学水平和质量，同时也需要专业的半导体光电材料生长、器件制备和检测设备，以及专业设计软件供教学和科研使用。该学科的性质决定了教学的内容不能仅仅局限于理论方面，还需要实验方面的补充和实践，从而可以从软件和硬件双方面实现协同的教学环境。在具体的操作过程中，以光谱分析为例，传统的光谱分析光源采用的是一些气体激光器，我们可以在教学中利用新型的半导体固体激光器来替代传统的气体激光器，将半导体光电器件和光学系统有机结合起来，提供两者协同的新型设备。指导学生在实验中分析新型的光谱系统和传统系统的优劣性，以及如何在现有的基础上改进系统，提高系统的使用性能，在教学中锻炼学生的协同学科的技能性训练。进一步可以引入显微镜成像技术，采用简易的一些光学元器件，在实验室内让学生动手搭建显微成像设备，锻炼学生对光学系统的整体认知能力，并且可以提升传统设备的应用范围。这一系列交叉协同教学实验的建立有利于打破教学和研究的界限，打破学科的界限，突出半导体光电学科的交叉性特点，促进学生知识的全面性掌握，为研究型的教学模式开辟新的途径。
三、建立前沿性半导体光电专业实验教学平台
半导体光电涉及的领域很广泛，单纯的理论教学不能满足学生对于高新的工程应用的直观认识，许多设备和器件只阐述其工作原理，概念比较抽象，学生不易理解。因而需要重视研究型实践教学。在条件允许的情况的，将半导体材料生长和器件制造设备引入课堂，让学生深刻掌握器件的制造流程。同时可以引入先进的光电检测设备，让学生开展一些器件的检测实验，在实验过程中熟悉器件和光电系统的工作原理，可以起到事半功倍的作用。同时还可以让学生在实践中不断思考和探索一些前瞻性的科学研究问题。以半导体LeD光电器件为例：由于LeD材料和器件制造设备较为精密、价格昂贵、不易获取。在理论课程后，可以引用适当的LeD材料生长设备moCVD的一些生长过程的实物图片和视频，以及半导体器件制备的薄膜沉积、光刻制作和刻蚀工艺的流程图和视频，让学生尽可能地将抽象的理论与具体实践联系起来。此外，购置现成的LeD器件和光电检测设备，利用光电测试设备对LeD器件开展一些电学和光学性能的检测，在测试过程中让学生对LeD光电转换基本原理和不同测试条件对器件光电性能影响的物理机制开展探索性研究。对于阻碍LeD发展的一些前沿性难题进行深刻的思考和分析，提出合理的改进和解决方案。基于学科的科研实验条件，我们还可以提出项目教学法，把教学内容通过“实践项目”的形式进行教学，为了能够一个半导体和光电专业相协同的实验平台，可以设置一个系统的实验项目包含多门课程的知识。项目教学是在教师的指导下，将相对独立的教学内容相关的项目交由学生自己处理。信息的收集，方案的设计，项目实施及最终评价报告，都由学生负责完成，学生通过该项目的进行，了解并把握实验制造和检测得整个过程及每一个环节的基本要求，教师在整个过程中主要起引导作用。以此来培养学生的实践性、研究性学习能力，让学生扮演项目研究者的角色，在研究项目情景的刺激下及教师的指导下主动开展探究活动，并在探究过程中掌握知识和学习分析问题、解决问题的方法，从而达到提高分析问题、解决问题能力的目的。这样才具备一门前沿性的学科所应该达到的理想效果。
四、建立专业校企合作基地
半导体光电专业需结合地域经济发展特点，建立专业的校企合作基地。校企合作是高校培养高素质技能型人才的重要模式，是实现高校培养目标的基本途径。以江南大学为例，可以依据无锡当地工业的发展中心，与半导体光电类企业，如无锡尚德太阳能股份有限公司、江苏新广联LeD器件制造企业、LeD照明企业实益达、万润光子等公司进行深入合作，建立企业实训创新基地及本科生、研究生工作站。定期组织学生去企业进行参观，了解半导体光电类产品的产线制造过程。还可以安排有兴趣的学生在学有余力的同时进入企业进行实习，使学生能够将课堂的理论知识应用到实际的应用生产中，并且可以利用理论知识来解决实际生产中所遇到的一些问题。以实际产线的需求分析为基础，结合理论教学的要求，建立以工作体系为基础的课程内容体系；实施综合化、一体化的课程内容，构建以合作为主题的新型课堂模式，做到教室、实验室和生产车间三者结合的教学场所。最终积累一定的合作经验后，校企可以合作开发教材，聘请行业专家和学校专业教师针对课程的特点，结合课堂基础和生产实践的要求，结合学生在相关企业实训实习的进展，编写出符合高校教学和企业生产需求的新型校企双用教材。
综上所述，要开展研究型半导体光电类课程的教学探索，首先要突破传统的理论教学模式，根据课堂教学需求，改善课堂教学措施，形成有创意、有个性化的课堂特色，旨在培养学生的创新思维能力。
参考文献：
半导体器件分析篇4
关键词：城市轨道车辆辅助供电系统辅助逆变器
中图分类号：U270.3文献标识码：a文章编号：1674-098X（2017）02（b）-0003-02
城市轨道车辆的辅助逆变器是城市轨道车辆上的一个重要电气设备，其主要功能是为车辆上的低压设备提供不同的电压和不同的功率，辅助逆变器的正常工作直接关系到车辆照明系统、空调系统及风机系统等部件的使用性能。此外，城市轨道客车输出的电能质量会直接影响到车辆运行的安全性。
1城市轨道交通电客车辅逆系统常见故障分析
1.1轨道客车弱电半导体器件引起故障
在城市轨道交通电客车辅助逆变系统中使用了大量的弱电半导体器件，因此由于弱电半导体器件引起的辅助逆变系统故障是较为常见的故障类型。当弱电半导体器件发生失效故障时，会直接导致系统发生部分功能丧失，严重时甚至会导致系统发生完全性的功能丧失。引起辅助逆变系统中弱电半导体失效的原因有很多，其中包括弱电半导体器件本身的可靠性、工作环境、组装方式及工作条件等，随着生产工艺的不断发展，弱电半导体器件的质量得到了显著的提升。此外，针对外部因素导致的弱电半导体失效问题，需要相关轨道客车技术人员在实际操作的过程中注意辅助逆变系统的温湿度、静电保护、机械保护和过电应力失效等。
1.2轨道客车电力半导体器件引起故障
强烈的电浪涌干扰是城市轨道客车辅助逆变系统在实际工作中不可规避的问题，这种强烈的电浪涌会给半导体器件造成严重的损坏，因此由于电力半导体器件而引起的辅助逆变系统故障发生的比例最高。为了提高轨道客车辅助逆变系统工作的稳定性，就需要为其配备相应的保护装置。此外，在保护装置设计的过程中，人们对器件保护措施的认识不足也会引起电力半导体器件的失效，从而导致轨道客车辅助逆变系统发生功能性故障。
1.3轨道客车电容器引起故障
为了提高辅助逆变系统输出压的稳定性，常在系统中使用具有稳压功能的铝电解电容器，通过总结实际的工作情况发现，由于铝电解电容器失效而引起的辅助逆变系统故障也是常见故障之一。铝电解电容表面的氧化铝保护膜会在实际的使用过程中发生损坏，虽然其本身具有一定的自愈性能，但当氧化膜被破坏的速度超过自愈速度时，电容器即使在额定电压下工作也会发生击穿事故，造成电容器的永久性损坏，在极端情况下甚至会使辅助逆变系统发生爆裂事故。
2轨道客车辅助供电系统的选择分析
2.1以逆变器电路原理为基准选择
城市轨道交通客车可以根据辅助供电系统逆变器电气结构的不同进行选型，通常按照内部结构的不同，可以将逆变器分为直接逆变和先经过升/降压稳压后逆变两种方式。其中，结构较为简单的是直接逆变的形式，该形式的逆变器在开关器件的选择上通常以Gto或iGBt为主，其常以受电弓或第三方作为其辅助逆变源。直接逆变的方式电路结构简单，涉及的电子元件相对较少，因此控制起来更为方便，但是在实际应用的过程中容易受到电网输入电压的影响。升/降压稳压后逆变的方式相比于直接逆变来说，可以使逆变器的输入电压稳定，因此可以为逆变器提供更加安全的保护，通常情况下其逆变器通过pwm进行控制，因此在进行选择时需要关注开关频率的问题，一方面防止由于开关损坏过高而影响到逆变器的效率，另一方面防止由于“死区”问题影响输出效率。
半导体器件分析篇5
随着科学技术的不断发展，量子电子元器件也得到很大的进步和发展，本文着重分析了量子电子元器件特点和历史，并且阐述基本概念，为分析新特点奠定基础，研究量子电子元器件的完整性相关问题，如端接阻抗突变、高速传输信号，以此主要分析了端接阻抗突变、高速传输信号以及相关解决措施，并且展望了量子电子元器件未来发展趋势。
【关键词】量子电子元器件信号完整性前景展望端接阻抗突变
伴随着电子产业和电子技术的进步和发展，不断出现新产品和新技术，特别是出现了传输信号速度更快的电子产品，同时也在提高传输频率，以往传统电子元器件虽然注重应用中布线布局情况，但是也不能完全保障完整的传输信号。并且随着生活水平的提高，人们日常生活生产中更加注重低成本、使用方便灵巧的产品，因此需要更加严格要求电子元器件的质量。基于此电子产品未来发展过程中更加注重各方面性能，同时也会提高性能的需求，基于此下文着重阐述了量子电子元器件的前景。
1半导体器件发展历史
电子元器件发展过程中主要包括依据半导体分立器为关键的小型时代以及电子管的经典时代，随着科学技术的迅速发展，目前引进了高速、高频电子元器件时代，主要设备就是微电子元器件，此外，量子技术也得到了大力发展，并且逐渐朝着量子电子元器件方向发展。
2量子电子元器件
量子效应实际上就是在特殊情况下，如超低温，利用大量粒子构成的量子现象，在半导体前提下形成的量子电子元器件，主要就是利用量子相应组织方式构建的智能化电子器件。量子电子元器件拥有开关时间、稳定温度系数、良好的高频特性，此外，也具备低功耗、耐高温、接近零的导通电压降等特点。实际操作过程中因为存在以上优势和特点，如果量子电子元器件能够获得大量应用，那么世界所有国家在建设中能够最大限度降低经济成本和能源的消耗，此外也能够获得良好的经济效益。这种元器件的研究和应用能够改善目前因为过高价格导致不少家庭不能应用智能化家居的问题。依据新材料、新工艺构建的量子电子元器件，能够在设计电子产品中获得良好的优势，此外，量子元器件是属于新机理、新结构的设备，此时能够在设计电子电路中应用量子电子元器件，以便于能够达到传输信号的目的，同时也确保设计产品拥有一定的稳定性，此外也能够有效解决目前设计半导体材料中出现的相关导体器件问题，从而能够在一定程度上降低更新电子产品的周期、节省设计成本，全面提高市场中电子行业的竞争力度。
3量子电子元器件解决相关的问题
由于处理器逐渐朝着多核方向发展，处理器研究和应用中芯片高速通信的相关问题已经逐渐发展成为影响处理器应用水平和性能的关键，一般情况下多核高性能处理器外部都存在相应的高带宽数据吞吐量，例如，不能在高宽带、高速的情况进行外部系统数据交互，以至于会严重降低系统整体性能。高速传输信号的过程中，信号完整性的相关问题是系统运行中不可避免的现象，同时在接受和发送信号的过程中，端接电阻十分容易出现突变的问题，基于此就需要从怎样有效解决端接阻抗突变和高速传输信号两方面来分析量子电子元器件，以便于能够保障有效解决信号传输完整性的问题。
3.1高速传输信号
现阶段，pCB中嵌入无源电子组件和有源电子组件（半导体器件），并且这种结构已经得到大量生产，pCB技术发展中组件埋嵌技术是改变集成电路的重要形式，此外，也会提高对元器件和裸芯片的需求。从宏观角度来说，信号完整性主要就是器件、电源、互联网等器件延时以及信号质量的问题。目前使用半导体应用在电路板中的时候，一般原材料都是二氧化硅，但是如果需要告诉传输电子信息的时候，系统需要在50mHz条件下进行工作，此时就会出现信号完整性的相关问题，随着不断提高器件频率和系统频率，越来越凸显信号完整性。电阻等普通电子元器件，不仅仅被当做电阻应用，需要能够等效在电阻上串联电容以及电感，此时不能顺利分析电路的实际情况，此外也会严重影响型号传输的质量和速度，例如，临近效应和容性负载等。
3.2端接阻抗突变
接受和发送信号的过程中，如果发出端形成比较低的阻抗，但是接受端出现远大于一般输入阻抗的传输线特性阻抗，导致在两端点之间会对信号进行反弹，促使形成振铃的现象。信号接受中出现反射的主要因素就是阻抗突变。从理论角度来说，如果消除传输中任意部位的传输线阻抗突变，也就会消除反射。目前能够依据加入人为阻抗的方式来降低或者消除上述传输阻抗，但是实际传输信号的过程中也会出现毛刺的问题。随着科学技术的高速发展，逐渐形成量子电子元器件，自从出现上述设备以后，在未来研究电子产品的时候，不会在高速传输信号过程中出现上述问题，所以，量子电子元器件具备传输速率高、传输信号频率高的特点。在量子电子元器件解决以上信号完整性相关问题以后，人们能够进一步研究速度更高的芯片，以便于能够全面带动经济市场的发展。
4结束语
综上，伴随着社会经济的进步和发展，也全面促进了电子元器件的发展，同时对于电子元器件的要求也更加严格，激发电子元器件朝着新方向、新领域发展。由于不断提高科学技术以及信息技术，不断健全各种技术参数，未来发展中量子电子元器件是必然趋势。电子元器件发展中量子化发展是改革的主要方向，也是一次重要的革命，因此我们期待未来发展中能够建立更完善、更科学的量子电子元器件，为以后进一步分析量子电子元器件奠定基础。
参考文献
[1]王灿涛，刘争，李昆等.量子电子元器件展望[J].电子制作，2015（2）：113-113.
[2]华为创新敏捷分布式wi-Fi解决方案/DaRpa研发可按需自毁的电子元器件技术/中国电信高速高效长距离光纤传输系统技术创新与规模应用获突破/室温下半导体内的粒子实现了量子纠缠[J].军民两用技术与产品，2015（23）：22.
[3]陈泉.半导体量子电子和光电子器件[J].城市建设理论研究（电子版），2015，5（27）：1484-1485.
[4]周惠平，王晓梅，张杨等.促进科技期刊科学发展的路径――以《量子电子学报》发展为例[C].2014：218-220.
[5]宋占锋，邵慧彬，忻学嘉等.量子点接触中的自旋过滤特性[J].量子电子学报，2013，30（4）：495-500.
作者简介
张友生（1981-），男，山东省蒙阴人。现供职于菏泽技师学院，职称：中级（讲师）。主要研究方向为电工电子、自动控制。
半导体器件分析篇6
关键词：半导体物理；教学改革；教学效果
作者简介：刘德伟（1979-），男，河南濮阳人，郑州轻工业学院物理与电子工程学院，讲师；李涛（1977-），男，河南淮阳人，郑州轻工业学院物理与电子工程学院，讲师。（河南郑州450002）
中图分类号：G642.0文献标识码：a文章编号：1007-0079（2013）34-0085-02
半导体物理是半导体科学的理论基础，是电子科学与技术、微电子学等专业重要的专业基础课，其教学质量直接关系到后续课程的学习效果以及学生未来的就业和发展。然而，由于半导体物理的学科性很强，理论较为深奥，涉及知识点多，理论推导繁琐，学生在学习的过程中存在一定的难度。因此，授课教师必须在充分理解半导体物理，熟悉半导体工艺和集成电路设计的基础上，结合教学实际中存在的问题，优化整合教学内容，丰富教学手段，探索教学改革措施，培养学生的学习兴趣，提高半导体物理课程的教学质量。
一、半导体物理课程特点及教学中存在的主要问题
郑州轻工业学院采用的教材为刘恩科主编的《半导体物理学》（第七版，电子工业出版社），该教材是电子科学与技术类专业精品教材。[1]结合教材特点与教学实践，半导体物理课程教学过程中存在的主要问题与不足[2]可归纳如下：
1.教材内容知识点多，理论性强
半导体物理课程前五章为理论基础部分，主要讲述了半导体中的电子状态、杂质和缺陷能级、载流子的统计分布、半导体的导电性与非平衡载流子，在此基础上阐述了电子有效质量、费米能级、迁移率、非平衡载流子寿命等基本概念；分析了状态密度、分布函数、载流子浓度以及迁移率与杂质浓度、温度的关系。课程涉及理论知识较深，易混淆知识点较多，数学公式推导复杂，很多基本概念及数学公式要求学生掌握量子力学、固体物理、热力学统计物理和高等数学等多门基础学科的理论知识。因此，学生在前期学习中，在相关知识点上难以衔接，对相关理论的掌握存在一定困难。
2.传统教学模式难以理论联系实际
半导体物理课程后八章主要介绍了半导体基本器件的结构与性能，半导体的光、电、热、磁等基本性质。如pn结电流电压特性及电容、击穿电压与隧道效应、肖特基接触与欧姆接触；半导体表面与miS结构、表面电场对pn结性能的影响；半导体异质结构及半导体激光器等。由于这部分内容主要阐述半导体的实际应用，仅仅从课本上学习相关知识，难以理论联系实际，对于没有接触过半导体制备工艺的学生而言，就会觉得内容枯燥，课堂乏味。
3.教材内容无法追踪科技前沿
现代半导体技术日新月异，发展迅速，例如在半导体照明、半导体激光器、探测器、太阳能电池等领域都获得了重大研究成果，研究领域不断拓展，新的理论不断涌现，与化学、医学、生物等学科之间的交叉和渗透越来越强，极大地丰富了半导体物理的教学内容。而半导体物理教材内容的更新相对较慢，因此，如何在有限的课时内既要讲授教材内容，又要穿插相关科技前沿是一个值得深入探讨的问题。
二、半导体物理课程教学改革措施
基于以上分析，半导体物理课程对授课教师要求较高，如何在有限的课堂教学过程中将大量的知识讲解清楚，需要教师积极探索新的教学模式，针对课程特点与教学现状，通过不断实践克服存在的问题与不足，采用多样化的教学手段，优化整合教学内容，狠抓教学环节，使学生较好地理解并掌握相关知识，为后续课程的学习打下良好的基础。[3]
1.优化整合教学内容
由于现代半导体技术发展极为迅速，研究方向不断拓展，相关知识更新较快。因此，授课教师应与时俱进，关注科技前沿与研究热点，合理安排教学内容。结合电子科学与技术专业其它课程的教学内容，在保持课程知识结构与整体系统性的同时，对教学内容进行合理取舍，压缩与其他课程重叠的内容，删除教材中相对陈旧的知识，密切跟踪科技前沿与研究热点，适当增加新的理论，补充重要的半导体技术发展史，激发学生的学习热情，培养学生的科学精神。例如压缩教材中第一章固体物理课程已经详细讲解过的能带理论内容，将授课时间由原来的8学时压缩至6学时；在讲解半导体光学特性时，结合半导体光电子学的研究前沿，增加该部分内容所涉及的研究领域与最新技术，如半导体超晶格、量子阱等方面的内容；在讲述miS结构的C-V特性时，补充C-V特性的研究意义，介绍半导体表面特性对集成芯片性能的影响，鼓励学生查阅总结利用C-V特性研究半导体表面的方法；在讲授半导体元器件的结构及性能时，适当补充半导体器件的制备工艺，播放一些半导体器件的制备视频，让学生结合某种半导体器件分析其结构与性能；在讲解半导体异质结构时，先让学生了解pn结种类，然后对比同质结与异质结的异同，最后让学生掌握异质结的电流电压特性，通过增加半导体激光器的发展史，即从第一支同质结半导体激光器只能在低温下发射脉冲激光到现在的异质结激光器的优异性能，让学生充分认识到半导体物理是现代半导体技术发展的理论基础，是科技创新的力量源泉。通过介绍科技前沿与研究热点，指导学生查阅相关文献，扩大学生的知识面，提高学生学习的积极主动性。
2.突出重点，分化难点，强调基本概念与物理模型
半导体物理课程涉及到的基本概念和物理模型较多，仅凭教材中的定义理解这些概念和模型，学生很难完全掌握。在讲解深奥的物理模型时，教师应运用恰当的类比，通过生动形象的事例对比分析，加深学生对物理模型的理解，增加学生的学习兴趣。例如教材中半导体载流子浓度的计算既是难点又是重点，学习中涉及到状态密度、玻尔兹曼分布函数、费密分布函数以及载流子浓度等为较容易混淆的概念。为了帮助学生理解，教师可以通过教学楼里面的学生人数与半导体中的电子数目进行类比：不同楼层的教室对应不同的能带，教室座位数对应能态的数目，教室的学生人数就相当于半导体中的电子数目，这样，计算半导体电子浓度的问题就与计算教室单位空间内学生人数的问题非常类似。通过这种生动形象的类比，学生很容易明白半导体中的能态密度就相当于教室单位空间的座位数，而半导体中的电子在能级上的占据几率就对应于教室内学生的入座情况。半导体中的电子在能级上的占据概率需要满足波尔兹曼分布函数或费米分布函数，而分布函数的确定取决于费米能级的位置，当分布函数确定后，单位能量间隔内的电子数目就可以通过简单的微积分计算出来。
另外，半导体物理课程中理论推导和数学上的近似处理较多，繁琐的公式推导增加了学生对物理模型的理解。如果教师在教学过程中能适当地把物理模型和公式推导分开，正确处理两者之间的关系，分别从物理和数学两方面寻找攻克这些难点的途径，使学生在彻底理解物理模型的基础上掌握理论推导。例如教材中有关n型半导体载流子浓度的内容安排如下：首先根据杂质半导体的电中性条件，推导出一个包含费米能的表达式，然后根据杂质电离情况分为低温弱电离区、中间电离区、强电离区、过渡区以及高温本征激发区，最后再根据不同电离区的特点进行讨论与近似处理。所涉及到的物理模型相对简单，但分区讨论和近似处理部分篇幅较长。如果运用传统教学模式，学生很容易沉浸在复杂的数学公式推导之中，难以透彻理解物理模型。如果教师在授课过程中先让学生了解该部分内容的整体安排，理解物理模型，再分析各温区的主要特点，最后总结规律，通过数学推导得出结论，就能很好地提高教学效果。
3.温故知新，适时比较，加强各章节之间的联系
对于课堂上刚刚讲授过的知识，学生并不一定能够完全掌握，此时教师应该结合半导体物理课程的特点，在教学过程中做到温故知新，适时比较，加强不同章节之间知识点的联系。例如pn结是半导体器件的基本单元，如日常生活中常见的激光器、LeD、整流器、调制器、探测器、太阳能电池等。在讲授该章内容时，如果教师以pn结为主线将教材中不同章节之间的内容有机联系起来，学生就会从整体上进一步了解半导体物理课程的教学内容。只有在教学过程中不断加强各章节知识点之间的联系，学生才能完全掌握半导体器件的基本原理，为以后从事半导体行业打下坚实的基础。再如所选教材中有关半导体载流子浓度的计算，分为非简并半导体和简并半导体两种情况。在讲述后者时，教师通过对比分析非简并半导体和简并半导体在概念上有何异同，再引导学生比较简并半导体与非简并半导体载流子浓度的计算公式，学生就会意识到二者的主要区别就是分布函数不同，在计算简并半导体载流子浓度时，虽然分布函数替换后导致积分变复杂，但只是数学处理的方法不同，两者的物理思想却完全一致。通过这样的比较学习，学生对非简并半导体与简并半导体以及玻尔兹曼分布函数与费米分布函数的理解就会更加深入。
三、结束语
通过以上教学改革措施，培养了学生的学习兴趣，增加了学生的学习积极性，提高了半导体物理课程的课堂教学效果，为学生后续专业课程的学习奠定了扎实的基础。
参考文献：
[1]刘恩科，朱秉升，罗晋生.半导体物理学[m].北京：电子工业出版社，2011.
半导体器件分析篇7
关键词气体传感器；气敏元件；发展趋势
中图分类号：tp212.11文献标识码：a文章编号：1671-7597（2013）11-0000-00
二十世纪六十年代wickens和Hatman利用气体在电极上的氧化还原反应研制出了世界上第一个气体检测器，而后八十年代年英国persaud等人提出了利用气体检测器模拟生物嗅觉，这是气体传感器的雏形。
如今气体传感器持续发展，在环境检测和安防领域都有了广泛的应用。随着各种天然气、煤制气、液化气的开发和使用，国内外科研人员开始深入研究可燃气体的检测方法和控制方法，并产生了多种用于气体检测与分析的传感器、仪器仪表等，并大量应用于生产生活中的气体检测与成分分析中。
1气体传感器概述
气体传感器是气体分析与检测系统的重要组成部分。气体传感器可简述为感知气体并确定其浓度的器件，该器件能够把气体的成分和气体的浓度等信息由非电量转换为电量，从而实现气体的测量。
考量气体传感器的主要指标有以下几个方面。
1.1稳定性
气体传感器的稳定性是指在整个工作时间内其由被测气体所产生的响应的稳定性，它与零点漂移和区间漂移密切相关。这里的零点漂移是指在被测气体中不含油目标气体的情况下，在规定的时间内气体传感器输出的信号波动；而区间漂移则指在被测气体始终存在的情况下传感器的输出信号波动。理想情况下，气体传感器每年的零点漂移不大于10%
1.2灵敏度
气体传感器的灵敏度通常是指其输出变化量与被测输入变化量的比值，该指标取决于传感器原理及其内部结构。
这里要提到一种交叉灵敏度，它是测量在干扰气体被引入时，传感器的信号输出变化，这种灵敏度也被称为选择性。这项指标对于多种气体环境下的气体测量是一项重要指标，交叉灵敏度会降低气体检测的可靠性。
1.3抗腐蚀性
抗腐蚀性主要描述的是气体传感器在高体积分数的待测气体中长期曝露或是在某一气体组分骤然增加时，传感器能够承受的预期的气体体积分数，同时，在回归到常规工况后，传感器能仍然回归到零点附近一定范围值。
以上的传感器指标，基本依赖传感器自身材料的选择和制造工艺来保障。
2气体传感器分类及其原理
气体传感器主要有电阻和非电阻型半导体式、绝缘体式、电化学式、红外式、石英振荡式、光纤式、声表面波以及气相色谱原理的气体传感器。气体传感器分类方式较多，本文将气体传感器从原理上分为三大类，分别是电化学型、电学型和光学型。
2.1电化学型
电化学型气体传感器利用了电化学性质的气体传感器，这种气体传感器是生产生活中较为常见的气体感知元件，其中较为常见的是电化学型一氧化碳传感器，其工作原理可表征多数电化学气体传感器，即：通过恒定电位作电化学性氧化还原这一方式，使得气体浓度数据可被电学方法检出。电化学型气体传感器有工作电极与对电极组成，两组电极构成一个电极对，工作时发生放电的电化学反应，工作电极与对电极之间就会产生微弱电流。在其他参数固定的情况下，这个微弱电流值与气体浓度成正比。
电化学方法可以检出含氧元素的气体，如氧气、一氧化碳、二氧化硫等，并被制备成其他形式的传感器、检测器以及各类仪器，如火灾报警器、医学血氧量传感器等。
电化学类气体传感器检测气体时选择性好，灵敏度高，成本较低，这是它的主要优势。而其存在的主要局限有两点，一是在电化学原理致使这种传感器对干扰气体的响应仍然存在，一定程度上造成检测的偏差，所以在实际应用中必须针对传感器所处环境的其他干扰气体进行详细的考虑并进行抗干扰设计；二是这种气体传感器的寿命较短，并不是指校正周期，而是在两年左右旧的传感器探头需要被直接由新制备的传感器探头替换。
2.2电学型
电学型气体传感器的主要原理是利用了材料的电学特征与气体浓度存在一定关系，这种关系可以直接通过电学方法检出。
电学型气体传感器从大范围上可分为电阻型和非电阻型。其中，电阻型气体传感器包括接触燃烧型、热导型和半导体型气体传感器；非电阻型主要是指利用电流或电压与某种气体浓度存在比例关系的类型，可分为moS型、场效应管型以及结型二极管型气体传感器。
接触燃烧型电阻气体传感器的测量对象通常为可燃性气体，这些气体在气敏元件的表面进行氧化反应，反应使得元件热量增加，产生电阻阻值变化，通过测量阻值变化即可检出不同浓度的气体。传感器工作温度在400℃左右，待检气体中含有可燃性成分时，由催化剂致使燃烧可在工作温度下发生，此时传感器电阻值增加，因此测量电阻即可实现环境中可燃气体浓度的检测。这种传感器的主要优势是不容易被外界温度影响，其稳定性较高，同时由于电阻值与气体浓度之间的关系几乎呈线性，因此其测量效果好，数据处理方面也不必做太多工作。而接触燃烧型气敏元件的寿命在1年左右，不仅如此，传感器内的催化剂可能会和其他气体发生化学反应使得催化剂失效，因此传感器稳定性也较差。
热导型气敏元件也是用来测量可燃气体的。由于不同的可燃气体，其导热系数与空气存在一定的差异，热导型气敏元件通过电路把导热系数非电量转化为电量来测量，通常是转化为电阻。热导型气体传感器需要气室、热敏电阻和加温器等组成部分，待检气体进入气室后，加温器将热敏电阻加热到某一特定温度，待测气体的热导系数高时，热量在热敏元件上被带走，热敏电阻阻值变小，通过检测电阻来测量气体浓度。
半导体型气体传感器也是一种测量可燃气体的传感器，它的原理是利用半导体材料的表面对气体分子的吸附和脱离作用使得其电导率发生改变这一性质来实现气体检测的。这种传感器应用较为广泛，由于其敏感元件灵敏度、响应速度以及可靠性能方面的指标相比其他气敏元件更优，被作为可燃气体检测的主流传感器。
电阻型半导体气体传感器利用电阻阻值与气体浓度的关系实现气体的检测；非电阻型半导体气敏元件则利用其他电学量，如电流、电压与气体浓度的关系实现气体的检测。半导体气体传感器具有灵敏度高、寿命长、成本低等优点。目前在全世界范围产量巨大，2011年度已经超过了200亿美元。半导体型气体传感器存在的主要问题有三点：一是其对气体的选择性较差，因此扰和错误报警的情况较为常见；二是其输出呈非线性，因此想提高精度并不容易，标定也存在一定困难；三是其长时间放置会发生氧化反应，从而使传感器自动休眠，导致传感器再次遇到被测气体时没有信号输出。
2.3光学型
光学型气体传感器主要利用了气体的光学特性，主要有直接吸收式和光反应式两种。
红外线原理的气体传感器是最为常见的光吸收式气体传感器，这种传感器利用气体的特征红外吸收光谱来确定气体的组分和浓度，由于不同气体的特征红外吸收光谱存在差异性，且同一气体不同浓度下红外吸光度将随气体浓度的增加而成正比的上升。不同种类的气体具有其各不相同的光谱吸收谱检测气体成分，非分散红外吸收光谱对硫化和碳化气体具有较高的灵敏度。另外紫外吸收、非分散紫外线吸收、相关分光、二次导数、自调制光吸收法对氮、硫化气体和烃类气体具有较高的灵敏度。红外气体传感器较为典型的应用就是七十年代早期的多组分红外线气体检测器，该设备的广泛使用使得光学原理的气体检测在当时备受重视，从而促进了气体传感器的发展。
光离子化法是一种化学分析方法，到今天已经有六十多年的历史。在20世纪五十年代就出现了这种仪器研制成功的相关报道。我国中科院也在20世纪末完成了我国第一台光离子化气体传感器。光离子化传感器由紫外灯和离子室组成，由紫外灯作为光源，透过氟化锂窗作用到被测气体上，此时被测气体在离子室，气体在离子室由于光的作用变为蒸气态，分子吸收光子能量，实现了光离子化作用。光离子化作用发生时产生能量流动（即离子流），该离子流与被测气体的浓度呈线性关系。
光离子化气体传感器种，紫外灯光源在使用过程中对清洁度有较高要求，因此该仪器不适合作为长期在线监测使用。
光离子化气体传感器目前主要应用在微量有机化合物的分析工作中，其中多数应用于有毒有害气体的检测。美国一些化学分析仪器制造公司研制了多款数显光离子化检测器来测量空气中苯系物的浓度，而我国目前只有中国电子科技集团49所拥有有自主知识产权的光离子化气体检测器，相比发达国家其发展速度仍较为缓慢。
3气体传感器发展趋势
3.1气敏材料
气敏材料的研究进展对气体传感器发展影响非常大，可以说，气敏材料的研究成果是气体传感器技术进步的基石。近年来，对于新型的气敏材料研究很多，其中，对半导体、陶瓷以及高分子材料的研究颇多。尤其在半导体气敏材料研究方面，各国在大量研究金属氧化物的同时，对一些复合金属氧化物以及混合金属氧化物也进行了大量的研究，取得了一定的进展。
对半导体气敏元件的研究及其主要技术指标的优化，可通过在材料中加入可优化气体传感器灵敏度和响应时间参数的元素来实现，也称为掺杂工艺；同时，还尝试多种催化剂以提高气敏元件的交叉灵敏度；工艺水平的提高也为气体传感器的灵敏度、选择性、稳定性等指标提供了可提升的空间。
目前，应用了催化技术实现的CH4传感器以及半导体pn型气体传感器，很大程度上提高了传感器的各项技术指标。值得一提的是，目前压电晶体和光纤材料已经成为了加工气体传感器的常用材质。
3.2气体传感器结构及其智能化
气体传感器在结构方面，借助于半导体技术的发展，其传感器结构逐渐由单元件、单一功能发展到了多元件、多功能，例如实现了多个传感器与信号采集与处理电路的整合，使其以小体积芯片的形式封装；同时随着计算机技术的发展，智能气体传感器例如机器嗅觉系统，可完整的实现从识别气体种类、浓度乃至循迹、循源等功能。
机器嗅觉技术结合了传感器技术、数字信号和模拟信号处理技术以及计算机技术，通常机器嗅觉是通过多个气体检测单元有机结合来实现的，能够有效检测气体组分。机器嗅觉技术在二十世纪六十年代年被首次提出，到八十年代美国率先将多个气体传感器组成形成阵列，成功地测量出气体种类和组成，由此开始了机器嗅觉领域的篇章，使得这种综合性气体传感器迅速在多个领域展开应用。
到今天为止，美国、德国、英国等发达国都已经拥有自主研发的机器嗅觉产品，其中，美国iSt公司生产的多参数气体检测装置目前已经达到了仅用一台机器即可检出近百种的气体成分的能力。而目前从可获得的资料来看，我国机器嗅觉技术仍处于试验期。
3.3新型传感器工艺
近年来基于微电子和微机械的快速发展，memS技术也取得了较多的研究成果，而对于新型微结构气体传感器的研究虽然有但并不深入，目前主的研究主要针对硅基微结构气体传感器展开。
硅基微结构气体传感器的衬底是硅而敏感层则为非硅材料，主要有金属氧化物半导体、固体电解质型、电容型、谐振器型。memS技术将传感器与集成电路结合起来，使其具有体积小、重量轻、结构可靠、准确度高、互换性好和低功耗等优势，尤其是其生产可以完全自动化实现，大大提高了生产效率并降低了制作成本。memS是传感器工艺的发展方向，大多数的传感器都能够通过memS技术来实现。而近年来纳米技术的发展与memS技术同样带给气体传感器更理想的技术支持，给气体传感器更广阔的发展空间，是气体传感器技术革命的重要支撑。
4结束语
随着环境检测与安全领域对气体检测与分析要求的不断提高，气体传感器也随之不断发展。近年来，随着测试测量技术的发展及传感器智能化技术的发展，基于电化学、电学与光学原理的气体传感器在其自身原理的基础上取得了一定的发展，但是从根本上来讲，推进气体传感器发展的核心还是取决于新材料、新结构和新工艺的发展，如今memS技术的发展推进了气体传感器的飞跃发展，相信不久的将来，伴随其他高新技术的发展，气体传感器的发展也将谱写新的篇章。
参考文献
[1]潘小青，刘铁成.气体传感器及其发展[J].华东理工学院学报，2004，27（1）：89-91.
[2]刘崇进，郑大日，陈明光，等.气体传感器的发展概况和发展方向[J].计算机自动测量与控制，1999，7（2）：54-56.
[3]吴孔宝.物理原理在气体检测中的应用[J].物理，1994，123（11）：685-690.
[4]何道清.传感器与传感器技术[m].北京：科学出版社，2003：377-396.
[5]陈艾.敏感材料与传感器[m].北京：化学工业出版社，2004：177-212.
[6]madnudharaRedymH.Chandrkaran.1992.ResponseStudyofelectron-BeamevaporatedthinFilmoxdegasSensors.Sensorsandactuators，B.9：1-8.
[7]Srczureka，Szecowkap.m.，LicmmkiB.w..applicationofsensoramyandneuralnetworksforquantificationoforganicsolventsvaporsinair[J].SensorsandactuatorsB，1999（58）：427-432.
半导体器件分析篇8
关键词：搅拌器；有限元分析；优化设计；
abstract:thedesignofthemixerhasbeenusingexperiencedesignmethod,thisarticlethroughSolidworksitsmodelingandparametricdesign,andusingtheSimulationanalysisofthefunctionofSimulationmodelisestablishedbythefiniteelementanalysis.Finally,throughtheoptimizationfunctionhalf-and-halfblenderSolidworks,theoptimizationdesignmodel,andgettheoptimalmixingboardthickness.themethodforhalfablenderstructureanalysisandoptimizationdesignprovidesanewwayofthinking.
Keywords:blender;thefiniteelementanalysis;optimizationdesign;
中图分类号：S611文献标识码：a文章编号：
全自动液压制砖机简称液压砖机，液压制砖机是采用液压动力制砖的免烧砖机。蒸压粉煤灰砖是以粉煤灰、石灰或水泥为主要原料，掺加适量石膏、外加剂、颜料和集料等，经坯料制备、坯体成型和高压蒸汽养护等工序制成的实心粉煤灰砖。蒸压粉煤灰砖是国家建设部推荐的新型墙体材料品种之一。搅拌器是全自动液压制砖机布料的主要工作装置，其主要功能是保证粉煤灰混合料均匀性的前提下，当粉煤灰混合料从上料斗落到下料斗时，在振动装置和下料斗内搅拌器共同作用下，使粉煤灰混合料在下料斗内均匀分布，在布料小车的运动过程中，行走到制砖模具上方时，使其均匀落到模具模腔内，让每个砖腔都有足够的料，才能保证各块砖重量一致。
搅拌器结构如图1所示，由两个半搅拌器组成一个搅拌器，下料斗内有两个搅拌器，当粉煤灰混合料从上料斗落入下料斗时，两个搅拌器相互运动，同时振动机构使下料斗做往复运动，让物料在下料斗内均匀分布。实际粉煤灰砖生产中发现，搅拌器在工作过程中，搅拌板向外侧弯曲。分析认为，搅拌器轴带动搅拌器做旋转运动，搅拌粉煤灰混合料，并使其分布均匀，粉煤灰混合料高度高于搅拌器，也就是说，搅拌器整个埋在粉煤灰混合料里，在搅拌的过程中，不断与粉煤灰混合料相摩擦。可能由于搅拌器结构强度不够，使得搅拌器的搅拌板产生弯曲。
图1搅拌器结构图
本文以全自动液压制砖机搅拌器为例，基于Solidworks产品设计平台，对搅拌器进行仿真设计和优化设计，通过分析结果和优化方案，缩短设计周期，增加产品的可靠性，降低材料消耗和成本；并模拟各种试验方案，提前发现潜在的问题，减少试验时间和生产经费。
搅拌器结构一直采用传统的设计方法——类比设计和经验设计，产品质量主要依靠设计人员的经验，需要进行方案设计、样机试制，样机试验，方案修改，然后多次循环才能完成。这种设计方法可靠性较差，设计成本高。现代基于三维软件的CaD/Cae设计模式在设计阶段就可以对各种方案进行分析比较和优化，减少或消除样机的制作。通过有限元分析便可了解设备在高压作用下零件的应力分布、变形情况；零件之间的接触力；判定产品的安全性；找出产品经济性与安全性的最佳平衡点。
Solidworks是应用广泛的三维CaD建模和分析软件，可在完成零件、部件和总成的造型设计后，自动生成有限元网格并进行计算，如果结果不符合设计要求，则重新进行造型和计算，直到满意为止，从而极大地提高设计水平和效率[1]。本文以搅拌器设计中搅拌板厚度设计为例，通过使用Solidworks的CaD/Cae功能，达到优化设计搅拌器的目的。
一、模型建立及有限元分析
1.搅拌器基本工作参数和模型建立
搅拌器结构见图1，具体参数见表1。
表1搅拌器结构尺寸
搅拌器材料为Q235a，弹性模量210Gpa,泊松比为0.28,抗拉强度为370mpa,屈服强度为235mpa,质量密度为7860kg/m3。利用Solidworks基于特征的参数化造型功能,可建立该托盘的精确模型，由于模型对称，因此采用半搅拌器分析。
2.有限元仿真分析
使用Solidworks的Simulation插件，建立算例，对半搅拌器施加载荷和约束，对版搅拌器进行有限元网格划分，如图2。
图2半搅拌器有限元网格模型
利用Simulation工具对半搅拌器模型进行应力和变形分析，其应力分布和位移分布见图2和图3，从图2的应力分析图上可以看出，半搅拌器的连接板键槽处为应力破坏点，最大应力为226.6mpa，没超过Q235a的屈服极限235mpa。从图3的位移分析来看，半搅拌器的最大为位移为5.51mm，位移变形很大，变形与实际基本相符，因此半搅拌器模型还需要优化。
图3半搅拌器应力云图（n/mm2）
图4半搅拌器位移云图（n/mm2）
二、半搅拌器结构优化设计
进入优化设计界面，半搅拌器的目标函数为半搅拌器的质量最小化；设计变量为搅拌板厚度，它对半搅拌器的质量和应力有重大影响；约束条件为安全系数，同时不改变其它条件，以防止半搅拌器整体结构出现较大变化。设置搅拌板厚度取值范围为10≤x≤30。经过5次迭代后，最终成功找到托盘模型优化最优解，具体优化过程见图5，优化前后相关数据对比见表2，为便于后期实际生产制造，对优化结果进行了取整[2]。
图5优化设计界面
表2优化前后半搅拌器数据对比
由表2可知，与优化前相比，搅拌板厚度增大，它的厚度增大，可以增强搅拌板抗弯性能。利用优化后的设计参数，重新生成半搅拌器模型，经有限元分析，托盘的最大位移为3mm，位移变形减小，说明托盘的强度和刚度有一定提高，可减少其在使用过程中的破损率。
三、结论
本文采用Solidworks对半搅拌器模型进行了有限元仿真分析，并在分析的基础上，对托盘进行优化设计，半搅拌器优化后的性能更趋于合理，大大降低了设计及试验成本，为产品方案修订提供了方向性和数据性指导。
[1]惠烨，李翔，王长浩，等．基于Solidworks包装容器结构参数化设计[J].包装工程，2007，28(12)：119-120．
半导体器件分析篇9
人们偏向选择这个法庭进行知识产权诉讼，是因为它可以发出禁令，阻止产品进入美国。持有美国知识产权重要组合并有经济实力主张这些权利的国内和国外医疗器械公司，可以将itC知识产权诉讼作为一个强大有力而具有竞争力的武器，以捍卫它们在美国的市场占有率。即便是精通知识产权(ipR)和专利保护的公司（比如药物开发商和专业级医疗器械制造商）可能也没有准备好应对复杂的消费医疗电子市场。例如，典型的药物涂层支架可能使用了几十个专利。另一方面，一个复杂的血糖监测仪可能使用了成千上万个专利，而这些专利涵盖的范围很广，从用户界面、软件，到电池、内存、电源管理系统、集成电路(iCs)，再到无线网或互联网连接，等等。UBmtechinsights对每个行业的约1,000个专利家族进行的一项分析（优先权日在2008年之前的专利）显示，制药和半导体公司曾采取截然不同的方法来保护知识产权。制药公司关注每项发明所覆盖的范围（每个专利家族的全球专利中位数为8），平均在7个国家或地区申请保护其在多个国家的创新变革。有的行业研发投资巨大，引进新产品的步伐由于安全和监管问题而放缓；制药公司试图牢牢保住其在这种行业的市场地位，最大限度地增加其在这种行业销售产品的机会。相比之下，凭借狂热的创新势头和引进新产品，半导体行业的公司已将其知识产权保护应用到范围更广的发明，但对专利提交申请的国家更具选择性。他们的策略是创造专利“丛林”以阻碍竞争对手。
由于比制药行业的监管和安全批准制度宽松，对半导体技术使用的广泛，消费医疗器械行业的专利环境可能会与半导体行业具有更强的相似性。随着侵权解决数量与侵权解决价值不断增加，往往被贬为“专利蟑螂”的不实施专利实体(npe)也在医疗器械行业更加活跃。patentFreedom是一家致力于帮助企业有效应对由npe威胁的公司，其于2010年1月1日确定了18个具有医疗器械、制药及生物技术知识产权组合的npe，这些组合已经涉及14讼。与此形成对照的是，无线领域有194起npe诉讼，半导体领域为841起。在这些领域中，npe具有行之有效、组织有序的业务模式，从其专利组合中获利。这些数字并不一定能反映全面的情况，但它们的确预示着：随着半导体和无线技术成为更重要的基础技术，医疗器械行业将会出现大量诉讼。显然，消费电子、半导体行业公司和npe积极的知识产权文化将对医疗器械行业产生越来越大的影响。因此，医疗器械公司必须更加战略性地利用其ip资产，途径之一即在管理知识产权时采取“生命周期”方略。医疗器械公司遵循这一方略是为了建立、增强、管理和保护知识产权，优化其收益潜力。第一步是描绘竞争和技术格局，评估实力、弱点、机会和威胁。然后，制定与企业经营目标一致的知识产权战略。一旦战略生效，即可通过创新和收购建立合适的专利组合，评估各方面因素，比如技术水平、市场影响、使用证据和提出主张时所用的语言等。ip生命周期的最后关键阶段是通过精心策划和实施的ip计划让专利组合发挥作用。这是许多半导体和消费电子公司表现非常出色的地方。一项有效的计划包括选择适当的专利和合适的目标产品，同时也将业务目标和战略考虑在内。基于行业、产品和技术等综合知识对目标产品进行前期研究和分析，最终必能取得成功。有效的ip计划离不开技术和专利分析的共同支持，可以帮助企业在竞争激烈的市场（如医疗器械行业）实现战略目标。它可以作为建立有利商业交易和建立有利竞争地位的基础。这种ip计划可以弱化竞争对手的业务发展势头，或者削弱其业务合作伙伴的信心。通过迫使重新设计产品，它可以阻止竞争产品进入市场或推迟面市。这种ip计划还可以通过专利许可费让竞争产品处于明显的成本劣势地位。半导体和消费电子产品公司尤其擅于通过ip计划来实现这些目的。在与医疗器械市场密切相关的无线技术领域中，主要参与者之间已经历过激烈的争斗。Rim解决了两个接近十亿美元的专利诉讼，接着花费数亿美元购得专利，以避免进一步的诉讼。高通(Qualcomm)和诺基亚最近通过专利许可和商业交易解决了多年的诉讼。之前，高通通过商业协议和支付890万元解决了与博通(Broadcom)的纠纷。即使是苹果这个消费类电子产品的宠儿，也不能幸免于高昂的知识产权诉讼成本。诺基亚苹果对3G技术专利构成侵权，而苹果则宏达，声称宏达侵犯20余项专利。在所有情况下，解决侵权问题所追求的既有财务目标，也有战略目标。医疗器械市场跟消费电子和半导体市场发展面临的另一个相似之处就是中国崛起成为创新中心。由于成本压力，医疗器械的生产向中国转移，当地的专业服务机构已经发展到了服务国内和国际两个市场。
虽然中国的医疗技术专利申请量不到美国的四分之一，但现在中国的医学研究人员与美国数量相近（140万），所以我们可以期待，源于中国的创新数量将在不久的将来急剧增长。事实上，2010年，听诊类（探听身体内部声音的设备）器械中，有超过120项专利是在中国授予的，而美国的申请和授予数量仅为30。正如消费电子和半导体产业那样，中国的医疗器械公司将基于当地市场的成功迅速征服世界舞台，加快创新步伐，降低价格水平。那么，医疗器械制造商又该如何有效管理创新以保护其知识产权，捍卫其市场地位，反驳竞争对手的专利侵权指控呢？答案之一即：将以专利为目的的产品技术分析（如产品拆解和半导体反向工程(Re)）运用到整个ip生命周期中来帮助企业制定商业战略和决策。专业的产品拆解可以详细、循序渐进地分解、分析和揭示电子产品（如医疗器械）的如下方面：集成电路(iC)含量系统架构系统指标器件指标物料清单(Bom)对医疗器械制造商而言，产品拆解可以提供如下方面的重要启示：谁是医疗器械的新兴电子元器件供应商？减少物料清单和制造成本的最佳方式是什么？如何以最佳方式将如无线连接这样的新技术整合到新的医疗产品中？为在新兴低成本环境中占据竞争优势，需要具有怎样的最佳设计、采购和制造策略？国内和国外市场新进参与者的竞争优势是什么？凭借产品拆解所得的信息资料，医疗器械市场参与者可以做出更好的业务决策，包括竞争定位、技术选择、研发策略、知识产权地位和市场机会等。当需要更深入地了解一个特定的器件如何工作、知识产权如何产生时，半导体反向工程(Re)是一个合法且行之有效的方法：根据市场上的其他半导体设备使用基准问题测试一个半导体器件确定可能会影响市场动态的芯片级技术发展趋势和关键创新技术确定是否对竞争对手的半导体实施发明专利权半导体反向工程技术包括半导体结构分析（该分析揭示了结构和制造的具体信息以及各种材料的元素组成）和电路提取（涉及把芯片层层拆开以研究其设计和功能）。通过完整的电路提取可以得到足够信息，目的是实质性地描绘芯片功能的蓝图。这种先进的技术分析特别有用，既有利于收集在先技术的证据促使侵权指控无效，也有利于支持针对市场份额构成威胁的竞争者而提出的主张。使用反向工程来生成使用专利技术的证据是成功主张专利的关键，因此也是创新回报最大化的关键。我们在消费电子领域看到的许多趋势（包括产品创新的快速增长、在亚洲经营的公司间的激烈竞争、战略性应用知识产权以实现业务目标）也已经出现在医疗器械行业。由于机构医疗成本较高，对使用无线和其他半导体技术进展的个人健康解决方案的需求不断增加，消费医疗器械领域正成为对许多相关业务具有影响的消费电子市场。可以预计的是，半导体公司、电子公司和npe在过去20年中形成的竞争性ip“文化”和管理实践会在医疗器械领域得到积极应用。以专利为目的的产品技术分析（产品拆解和先进的半导体反向工程技术）是用于巩固竞争情报和知识产权举措的途径之一。医疗器械行业中的竞争企业，特别是那些先前经验在于制药业的企业，需要未雨绸缪，采取严格的技术情报方法和积极的知识产权管理政策，并将其作为支持企业目标结构化的ip生命周期的一部分。在这种竞争格局中，充分利用企业的知识产权资产才是商业成功之道。通过高级专利评估可以分析专利资产是否能给企业带来更多收益，如与技术/应用领域相关的专利布局，确定相关或适用市场等等。
作者：BillBetten
半导体器件分析篇10
针对配电网零序电流的特点提出一种三角形立体式结构的零序滤波器。立体式结构中铁芯柱在空间呈三角形对称分布，相较于传统的平面式结构具有三相对称磁路，解决了三相不平衡问题，并且使得三相零序磁通大小一致，提高了滤波效果。零序阻抗值是零序滤波器设计的一个重要参数，直接影响到滤波效果。在对零序磁通分布理论分析的基础上，给出立体结构零序滤波器在anSYS中的二维简化模型，并采用能量法对零序阻抗进行数值计算。最后通过实验验证了该方法的正确性，为立体结构的零序阻抗计算提供了一种有效的工程应用的方法。
关键词：
配电网；零序滤波器；对称磁路；能量法；anSYS；阻抗计算
随着变频设备等电力电子装置的大量使用，配电网中引入了大量的谐波，影响电网安全经济运行[1]。其中的零序谐波具有三相大小相等方向相同的特点，并在系统的中性线上叠加，使系统出现不同程度的过电压情况，导致电气设备的损坏，严重时甚至造成中性线电流过大被烧断的危险[2-3]。零序滤波器是一种绕组经特定方式连接的滤波电抗器[4]。其采用曲折移相的接线方式，构建零序电流的低阻通道，从而滤除中性线上的零序谐波。相较于传统的谐振滤波器，零序滤波器没有电容，不会造成无功功率的过补偿[5]；同时电抗耐过载能力强，可靠性高。零序滤波器的结构与接地变压器[6]相似，多采用传统的平面三相三柱式结构。但这种平面结构具有三相磁路不对称的缺点，会造成三相不平衡[7]，降低了对零序电流的滤波效果。同时零序滤波器零序阻抗值是工程设计的一个重要参数，直接关系到滤波效果。因此工程设计时需要准确获得零序阻抗值。但零序磁通磁路不固定[8]很难准确计算零序阻抗的大小，给工程设计带来困难。为此本文设计了一种三角形对称结构的零序滤波器，以解决传统平面式结构的三相不平衡问题。并且利用anSYS软件强大的电磁计算能力，采用能量法对零序滤波器的零序阻抗数值进行了准确计算，为工程计算给出依据。最后对一台容量为10kVa的零序滤波器的样机进行实验验证。
1结构分析
设计的立体结构零序滤波器如图1所示。其三个铁芯柱在空间上互差120呈三角形对称排列，上下铁轭呈三角环形。铁芯柱采用硅钢片叠压的形式。每个芯柱上的两个绕组呈同心式排列。铁芯柱和铁轭间可通过全斜切方式、对接方式或者直接方式紧密连接在一起。图2是传统平面三相三柱式变压器的磁路路径，可以明显看到中间芯柱的磁路最短，两个边柱磁路较长，磁路越长磁阻越大。在三相电压对称也就是三相磁通对称的条件下，由于三相磁路不相同，由式(1)可知流过三个芯柱中的电流大小并不相等。因此平面式结构本身会产生一定的不平衡电流。零序滤波器的零序电抗越小滤波效果越好，而零序电抗的大小由零序磁通决定。如果采用平面式结构，即使三相流过的零序电流具有幅值相等的特点，但由于三相磁路的不对称，系统本身存在的不平衡电流会使流过同一个铁芯柱的两个绕组电流产生的零序激磁磁通不能完全抵消，从而在一定程度上增大了零序电抗。而在三角形结构中，三个铁芯柱互差120对称排列，零序激磁磁路完全对称使得同一个芯柱上两个绕组的零序激磁磁通可以完全抵消，零序电抗完全由零序漏磁通决定，所以降低了零序电抗的大小，提高了滤波效果。同时文献[9]指出在工作时，传统平面结构变压器铁轭的4个直角边角上的磁通密度很低，铁磁材料的利用效率不高。新型结构采用三角形铁轭不仅使三相磁路最短，同时也省去了传统结构的4个边角，优化了铁轭结构，减轻了滤波电抗器的重量。
2滤波原理分析
零序滤波器采用曲折移相[10]的接线方式如图3所示，每相绕组分成两半，分别位于两个不同的芯柱上。将一个芯柱的上半绕组与另一个芯柱的下半绕组反串起来，组成一相。电流从每相的上半绕组中流入，同时将三个下半绕组接在一起后接到电网的中性线上。根据零序电流大小相等的特点，零序滤波器每一相上半绕组与下半绕组的匝数相等，且不同相之间的绕组匝数也相等。
3零序阻抗分析与计算
3.1零序阻抗分布的理论分析由前面的分析可知，零序滤波器的零序阻抗主要由零序漏磁通产生。对于零序滤波器，线圈产生的零序漏磁通主要通过周围空气以及所邻近的部分铁芯柱闭合。根据磁路的安培环路定理可以做出线圈周围的漏磁分布。考虑到铁芯柱的磁阻很小以及线圈高度以外的磁路面积很大，所以可以认为在铁芯柱中以及线圈高度以外的磁位降为零[11]。基于以上两点简化，根据磁路法[12]可以做出零序漏电抗的磁势分布如图4中的阴影所示。图中的D1、D2分别表示同一芯柱上的内、外线圈。由图4可见，零序漏磁势呈梯形分布，在内外绕组间漏磁势达到最大值，而在铁芯以及线圈高度以外的部分漏磁势基本为零。图4中r1表示线圈D1的平均半径；a1、a2分别表示线圈D1、D2的厚度；a12表示线圈间距。这些参数的具体数值将在后面仿真计算时给出。
3.2零序阻抗的anSYS仿真零序滤波器的漏磁场呈三维空间分布，但如果在anSYS环境下对整个零序滤波器建立三维立体模型，则必然产生大量待处理数据并导致计算时间的增大，对计算机性能要求很高。本文设计的零序滤波器采用三相完全对称的结构，三相零序漏电抗的磁路完全对称。因此可以采用简化的二维建模的方法，对其中一相磁路进行分析。建立考虑滤波器线圈和铁芯结构的二维磁场模型，忽略其他结构件，这种简化满足工程分析的要求[13]。建模前，对零序滤波器模型提出如下两个简化：(1)不考虑导线之间的绝缘材料，将导线作为块状导体处理。(2)为减少计算的节点数，没有对三角形铁轭建模。以文中容量为10kVa的样机为例，anSYS模型参数如下：铁芯柱半径为3.5cm、高18cm；实际线圈为多匝并绕方式，根据前面的简化方法，仿真时以块状导体表示，块状导体厚度为0.4cm、高12cm。建立好的零序滤波器在anSYS中的二维轴对称模型如图5所示。其中a1代表铁芯，a2、a3分别为该铁芯柱上内、外两个绕组，a4为空气。La为对称轴，Lb为空气的外边界。内外绕组和空气的相对磁导率取1，铁芯相对磁导率设为3000，单元类型选择具有8节点的二维单元pLane53，自由度(DoF)为矢量磁位a。采用自适应网络剖分求解，对外边界设磁通量平行的边界条件，即满足第一类边界条件，求解后在通用后处理器中观察零序漏磁通的磁力线分布如图6。从图6中可以看出，漏磁通的磁力线基本上平行于对称轴分布，形成纵向漏磁，并且在两个线圈绕组之间分布最密集。在线圈端部磁力线渐渐呈水平分布，并且在远处空气形成闭合，形成横向漏磁。故零序滤波器的漏磁通主要以沿轴分布的纵向漏磁为主，横向漏磁只在铁芯端部出现，所占比例较小。漏磁通主要路径为非铁磁性的线圈以及周围空气。为进一步观察漏磁势在绕组以及空气中的分布，在模型高度一半处沿内绕组a1的左边界到外绕组a2的右边界设置一水平路径，绘制出在该水平路径上漏磁势分布如图7所示。路径上的漏磁势从左到右整体呈梯形分布，形成一个漏磁组。在内外线圈之间，漏磁势最大并且大小不发生变化。对比图7和图4可以发现，仿真数据绘制的漏磁分布与理论分析的结果一致。由此可见，这种二维对称简化建模方法不仅可以大大减少计算量，同时也具有较高的准确性。
3.3零序阻抗的计算由前文分析可知，该三角形零序滤波器的零序阻抗由零序漏磁通产生。但由于零序漏磁通的磁路不确定，漏电抗很难准确计算。漏电抗的计算方法主要有相对漏磁链法、能量法和解析法等[14]。文献[15]指出相对漏磁链法无法对横向漏磁准确计算，当线圈半径与高度之比较大时采用相对漏磁链法可能会造成一定的误差。而能量法是利用滤波器漏磁场中磁场储能的平均值与电感的关系计算漏电抗，可用于复杂结构的漏电抗计算[16]。因此本文采用能量法并结合anSYS软件对零序漏电抗进行计算。本文中零序滤波器样机容量为10kVa，额定电压为380V。结合图4给出实验样机计算的具体计算参数：r为4.5cm，a1为0.4cm，a12为0.8cm，a2为0.4cm。采用静态分析的方法，内外线圈分别施加方向相反的单位电流密度，外边界设置磁通平行的边界条件，即满足第一类边界条件。仿真计算完毕后在通用后处理器中整理得到空气、线圈以及铁芯中的能量如表1所示。
4实验验证
首先对文中10kVa样机三相对称度以及滤波效果进行实验测试。利用隔离变压器在实验室中建立三相四线制的供电系统，采用三个带大电容滤波的单相不控整流电路来模拟负载谐波源来产生各奇次谐波电流[19]。使用电能质量分析仪Ca8335记录实验数据与波形，其中电流互感器变比为200:1。在空载运行时记录实验样机的三相励磁电流如图8所示。可以看到，由于芯柱的对称排列，三相磁路完全对称，所以三相励磁电流大小完全相等，没有平面式结构的三相不平衡缺点。接入带大电容滤波的负载后，记录滤波前后电源侧中性线上的电流如图9、图10所示。从实验结果上可以看到中性线上的电流从83.1a降到5.2a，下降幅度超过90%，可见零序滤波器起到了很好的滤波效果。断开谐波负载，将图3中零序滤波器三个进线端a1、B1、C1短接。然后在a1与n之间加单相交流电压，对实验样品进行零序阻抗测量。由于零序阻抗很小，为防止线路上零序电流过大，事先在出线端n上串联一个负载电阻。测试记录零序滤波器两端的电压以及流过绕组的电流，从而计算零序阻抗的大小。测量结果显示该台样机零序阻抗为0.585Ω。考虑到导线电阻的存在，实验结果数据与利用能量法计算得到的0.41Ω的数值相差不大。
5结论