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1、开关电源原理及其应用维修技术培训资料更多同类资料请访问http:/这方热土专栏本资料只要不是用于商业目的,允许自由转载使用,否则追诉侵权责任。站长 编著第一部分:功率电子器件第一节:功率电子器件及其应用要求功率电子器件大量被应用于电源、伺服驱动、变频器、电机保护器等功率电子设备。这些设备都是自动化系统中必不可少的,因此,我们了解它们是必要的。近年来,随着应用日益高速发展的需求,推动了功率电子器件的制造工艺的研究和发展,功率电子器件有了飞跃性的进步。器件的类型朝多元化发展,性能也越来越改善。大致来讲,功率器件的发展,体现在如下方面:1 器件能够快速恢复,以满足越来越高的速度需要。以开关电源为例,
2、采用双极型晶体管时,速度可以到几十千赫;使用MOSFET和IGBT,可以到几百千赫;而采用了谐振技术的开关电源,则可以达到兆赫以上。2 通态压降(正向压降)降低。这可以减少器件损耗,有利于提高速度,减小器件体积。3 电流控制能力增大。电流能力的增大和速度的提高是一对矛盾,目前最大电流控制能力,特别是在电力设备方面,还没有器件能完全替代可控硅。4 额定电压:耐压高。耐压和电流都是体现驱动能力的重要参数,特别对电力系统,这显得非常重要。5 温度与功耗。这是一个综合性的参数,它制约了电流能力、开关速度等能力的提高。目前有两个方向解决这个问题,一是继续提高功率器件的品质,二是改进控制技术来降低器件功耗
3、,比如谐振式开关电源。总体来讲,从耐压、电流能力看,可控硅目前仍然是最高的,在某些特定场合,仍然要使用大电流、高耐压的可控硅。但一般的工业自动化场合,功率电子器件已越来越多地使用MOSFET和IGBT,特别是IGBT获得了更多的使用,开始全面取代可控硅来做为新型的功率控制器件。第二节:功率电子器件概览一 整流二极管:二极管是功率电子系统中不可或缺的器件,用于整流、续流等。目前比较多地使用如下三种选择:1 高效快速恢复二极管。压降0.8-1.2V,适合小功率,12V左右电源。2 高效超快速二极管。0.8-1.2V,适合小功率,12V左右电源。3 肖特基势垒整流二极管SBD。0.4V,适合5V等低
4、压电源。缺点是其电阻和耐压的平方成正比,所以耐压低(200V以下),反向漏电流较大,易热击穿。但速度比较快,通态压降低。目前SBD的研究前沿,已经超过1万伏。二大功率晶体管GTR 分为:单管形式。电流系数:10-30。双管形式达林顿管。电流倍数:100-1000。饱和压降大,速度慢。下图虚线部分即是达林顿管。 图1-1:达林顿管应用实际比较常用的是达林顿模块,它把GTR、续流二极管、辅助电路做到一个模块内。在较早期的功率电子设备中,比较多地使用了这种器件。图1-2是这种器件的内部典型结构。图1-2:达林顿模块电路典型结构两个二极管左侧是加速二极管,右侧为续流二极管。加速二极管的原理是引进了电流
5、串联正反馈,达到加速的目的。这种器件的制造水平是1800V/800A/2KHz、600V/3A/100KHz左右(参考)。三 可控硅SCR可控硅在大电流、高耐压场合还是必须的,但在常规工业控制的低压、中小电流控制中,已逐步被新型器件取代。目前的研制水平在12KV/8000A左右(参考)。由于可控硅换流电路复杂,逐步开发了门极关断晶闸管GTO。制造水平达到8KV/8KA,频率为1KHz左右。无论是SCR还是GTO,控制电路都过于复杂,特别是需要庞大的吸收电路。而且,速度低,因此限制了它的应用范围拓宽。集成门极换流晶闸管IGCT和MOS关断晶闸管之类的器件在控制门极前使用了MOS栅,从而达到硬关断
6、能力。四 功率MOSFET又叫功率场效应管或者功率场控晶体管。其特点是驱动功率小,速度高,安全工作区宽。但高压时,导通电阻与电压的平方成正比,因而提高耐压和降低高压阻抗困难。适合低压100V以下,是比较理想的器件。目前的研制水平在1000V/65A左右(参考)。商业化的产品达到60V/200A/2MHz、500V/50A/100KHz。是目前速度最快的功率器件。五 IGBT又叫绝缘栅双极型晶体管。这种器件的特点是集MOSFET与GTR的优点于一身。输入阻抗高,速度快,热稳定性好。通态电压低,耐压高,电流大。 目前这种器件的两个方向:一是朝大功率,二是朝高速度发展。大功率IGBT模块达到1200
7、-1800A/1800-3300V的水平(参考)。速度在中等电压区域(370-600V),可达到150-180KHz。它的电流密度比MOSFET大,芯片面积只有MOSFET的40%。但速度比MOSFET低。尽管电力电子器件发展过程远比我们现在描述的复杂,但是MOSFET和IGBT,特别是IGBT已经成为现代功率电子器件的主流。因此,我们下面的重点也是这两种器件。第三节:功率场效应管MOSFET功率场效应管又叫功率场控晶体管。一原理:半导体结构分析略。本讲义附加了相关资料,供感兴趣的同事可以查阅。实际上,功率场效应管也分结型、绝缘栅型。但通常指后者中的MOS管,即MOSFET(Metal Oxi
8、de Semiconductor Field Effect Transistor)。它又分为N沟道、P沟道两种。器件符号如下: N沟道 P沟道图1-3:MOSFET的图形符号MOS器件的电极分别为栅极G、漏极D、源极S。和普通MOS管一样,它也有:耗尽型:栅极电压为零时,即存在导电沟道。无论VGS正负都起控制作用。增强型:需要正偏置栅极电压,才生成导电沟道。达到饱和前,VGS正偏越大,IDS越大。一般使用的功率MOSFET多数是N沟道增强型。而且不同于一般小功率MOS管的横向导电结构,使用了垂直导电结构,从而提高了耐压、电流能力,因此又叫VMOSFET。二特点:这种器件的特点是输入绝缘电阻大(
9、1万兆欧以上),栅极电流基本为零。驱动功率小,速度高,安全工作区宽。但高压时,导通电阻与电压的平方成正比,因而提高耐压和降低高压阻抗困难。适合低压100V以下,是比较理想的器件。目前的研制水平在1000V/65A左右(参考)。其速度可以达到几百KHz,使用谐振技术可以达到兆级。三参数与器件特性:无载流子注入,速度取决于器件的电容充放电时间,与工作温度关系不大,故热稳定性好。(1) 转移特性: ID随UGS变化的曲线,成为转移特性。从下图可以看到,随着UGS的上升,跨导将越来越高。IDUGS图1-4:MOSFET的转移特性(2) 输出特性(漏极特性):输出特性反应了漏极电流随VDS变化的规律。
10、这个特性和VGS又有关联。下图反映了这种规律。IDIDVDSVGS 图中,爬坡段是非饱和区,水平段为饱和区,靠近横轴附近为截止区,这点和GTR有区别。图1-5:MOSFET的输出特性 VGS=0时的饱和电流称为饱和漏电流IDSS。(3)通态电阻Ron:通态电阻是器件的一个重要参数,决定了电路输出电压幅度和损耗。 该参数随温度上升线性增加。而且VGS增加,通态电阻减小。(4)跨导: MOSFET的增益特性称为跨导。定义为: Gfs=ID/VGS 显然,这个数值越大越好,它反映了管子的栅极控制能力。(5)栅极阈值电压栅极阈值电压VGS是指开始有规定的漏极电流(1mA)时的最低栅极电压。它具有负温度
11、系数,结温每增加45度,阈值电压下降10%。(6)电容 MOSFET的一个明显特点是三个极间存在比较明显的寄生电容,这些电容对开关速度有一定影响。偏置电压高时,电容效应也加大,因此对高压电子系统会有一定影响。 有些资料给出栅极电荷特性图,可以用于估算电容的影响。以栅源极为例,其特性如下:VGSQG可以看到:器件开通延迟时间内,电荷积聚较慢。随着电压增加,电荷快速上升,对应着管子开通时间。最后,当电压增加到一定程度后,电荷增加再次变慢,此时管子已经导通。图1-6:栅极电荷特性(8)正向偏置安全工作区及主要参数MOSFET和双极型晶体管一样,也有它的安全工作区。不同的是,它的安全工作区是由四根线围
12、成的。 最大漏极电流IDM:这个参数反应了器件的电流驱动能力。 最大漏源极电压VDSM:它由器件的反向击穿电压决定。 最大漏极功耗PDM:它由管子允许的温升决定。 漏源通态电阻Ron:这是MOSFET必须考虑的一个参数,通态电阻过高,会影响输出效率,增加损耗。所以,要根据使用要求加以限制。IDVDSVDSMIDMPCMRON 图1-7:正向偏置安全工作区第四节:绝缘栅双极晶体管IGBT又叫绝缘栅双极型晶体管。一原理: 半导体结构分析略。本讲义附加了相关资料,供感兴趣的同事可以查阅。该器件符号如下:CCGEGE N沟道 P沟道图1-8:IGBT的图形符号注意,它的三个电极分别为门极G、集电极C、
13、发射极E。图1-9:IGBT的等效电路图。上面给出了该器件的等效电路图。实际上,它相当于把MOS管和达林顿晶体管做到了一起。因而同时具备了MOS管、GTR的优点。二特点:这种器件的特点是集MOSFET与GTR的优点于一身。输入阻抗高,速度快,热稳定性好。通态电压低,耐压高,电流大。它的电流密度比MOSFET大,芯片面积只有MOSFET的40%。但速度比MOSFET略低。大功率IGBT模块达到1200-1800A/1800-3300V的水平(参考)。速度在中等电压区域(370-600V),可达到150-180KHz。三参数与特性: (1)转移特性ICUGE图1-10:IGBT的转移特性这个特性和
14、MOSFET极其类似,反映了管子的控制能力。 (2)输出特性VCEVGEICID 图1-11:IGBT的输出特性它的三个区分别为:靠近横轴:正向阻断区,管子处于截止状态。爬坡区:饱和区,随着负载电流Ic变化,UCE基本不变,即所谓饱和状态。水平段:有源区。 (3)通态电压Von:IVONIGBTMOSFET图1-12:IGBT通态电压和MOSFET比较所谓通态电压,是指IGBT进入导通状态的管压降VDS,这个电压随VGS上升而下降。由上图可以看到,IGBT通态电压在电流比较大时,Von要小于MOSFET。MOSFET的Von为正温度系数,IGBT小电流为负温度系数,大电流范围内为正温度系数。(4)开关损耗: 常温下,IGBT和MOSFET的关断损耗差不多。MOSFET开关损耗与温度关系不大,但IGBT每增加100度,损耗增加2倍。 开通损耗IGBT平均比MOSFET略小,而且二者都对温度比较敏感,且呈正温度系数。 两种器件的开关损耗和电流相关,电流越大,损耗越高。(5