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1、开关电源原理及其应用第一部分: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,采用双极型晶体管时,速度可以到几十千赫;使用 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)
2、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,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1工业自动化场合,功率
3、电子器件已越来越多地使用 别是 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 合小功率,12 高效超快速二极管。合小功率,12V 左右电源。3 肖特基势垒整流二极管 合 5V 等低压电源。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 研究前沿,已经超过 1 万伏。二大功率晶体管 管形式。电流系数:10管形式达林顿管。电流倍数:100和压降大,速度慢。下图
4、虚线部分即是达林顿管。图 1林顿管应用2实际比较常用的是达林顿模块,它把 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这种器件的内部典型结构。图 1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串联正反馈,达到加速的目的。这种器件的制造水平是 1800V/800A/200V/3A/100右(参考)。三 可控硅 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 12000A 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 造水平达到 8率
5、为 1右。无论是 是 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 断晶闸管之类的器件在控制门极前使用了 ,从而达到硬关断能力。四 功率 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/200V/50A/100目前速度最快的功率器件。五 这种器件的特点是集 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
6、个方向:一是朝大功率,二是朝高速度发展。大功率 块达到 1200800水平(参考)。速度在中等电压区域(370可达到 150的电流密度比 ,芯片面积只有 40%。但速度比 。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 别是 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 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 ,即 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图形符号件的电极分别为栅极 G、漏极 D、源极 S。和普通 一样,它也有
7、:耗尽型:栅极电压为零时,即存在导电沟道。无论 强型:需要正偏置栅极电压,才生成导电沟道。达到饱和前, 一般使用的功率 数是 N 沟道增强型。而且不同于一般小功率 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 特点:这种器件的特点是输入绝缘电阻大(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 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
8、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:为转移特性。从下图可以看到,随着导将越来越高。图 1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 个特性和 图反映了这种规律。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 区别。输出特性 时的饱和电流称为饱和漏电流 3)通态电阻 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 态电阻减小。(4)跨导:增益特性称为跨导。定义为:I D/V 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 的最低栅极电压。它具有负温度系
9、数,结温每增加 45 度,阈值电压下降10%。(6)电容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: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极电荷特性(8)正向偏置安全工作区及主要参数双极型晶体管一样,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成的。最大漏极电流 个参数反应了器件的电流驱
10、动能力。最大漏源极电压 由器件的反向击穿电压决定。最大漏极功耗 由管子允许的温升决定。漏源通态电阻 是 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。图 1向偏置安全工作区第四节:绝缘栅双极晶体管 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:N 沟道 P 沟道图 1图形符号G 的三个电极分别为门极 G、集电极 C、发射极 E。图 1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 和达林顿晶体管做到了一起。因而同时具备了 、优点。二特点:这种器件的特点是集 优点于一身。输入阻抗高,速度快,热稳定性好
11、。通态电压低,耐压高,电流大。它的电流密度比 ,芯片面积只有 40%。但速度比 低。大功率 块达到 1200800水平(参考)。速度在中等电压区域(370可达到 150参数与特性:(1)转移特性图 1转移特性这个特性和 其类似,反映了管子的控制能力。)输出特性图 1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 化,U 所谓饱和状态。水平段:有源区。(3)通态电压 1态电压和 较所谓通态电压,是指 入导通状态的管压降 个电压随 上图可以看到,态电压在电流比较大时,小于 正温度系数,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
12、, 关断损耗差不多。关损耗与温度关系不大,但 增加 100 度,损耗增加 2 倍。开通损耗 均比 小,而且二者都对温度比较敏感,且呈正温度系数。流越大,损耗越高。(5)安全工作区与主要参数 安全工作区是由电流 压 耗 1功耗特性最大集射极间电压 决于反向击穿电压的大小。最大集电极功耗 决于允许结温。最大集电极电流 受元件擎住效应限制。所谓擎住效应问题:由于 在一个寄生的晶体管,当 生晶体管导通,栅极失去控制作用。此时,漏电流增大,造成功耗急剧增加,器件损坏。安全工作区随着开关速度增加将减小。(6)栅极偏置电压与电阻性主要受栅极偏置控制,而且受浪涌电压影响。其di/显和栅极偏置电压、电阻 关,电压越高,di/大,电阻越大,di/小。而且,栅极电压和短路损坏时间关系也很大,栅极偏置电压越高,短路损坏时间越短。关电源基础第一节:开关电源的基本控制原理一开关电源的控制结构:一般地,开关电源大致由输入电路、变换器