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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
