項目5開關電源的設計與調試

1、單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-51項目5 開關電源的設計與調試單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-52由高壓直流到低壓多路直流的電路稱直流斬波（又稱DC/DC變換）電路，是開關電源的核心技術。開關電源是一種高效率、高可靠性、小型化、輕型化的穩(wěn)壓電源，廣泛應用于生活、生產(chǎn)、軍事等各個領域。各種計算機設備、彩色電視機等家用電器等大量采用了開關電源。項目導入單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-531 通過對開關管、D

2、C/DC變換電路的分析，能夠理解開關電源的工作原理；2 掌握開關器件、DC/DC變換電路的原理和開關電源的設計，及其在其他方面的應用。學習目標單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-54任務1 開關電源的設計單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-55開關器件是DC/DC變換電路中的核心器件。開關器件有許多，經(jīng)常使用的是MOSFET和IGBT，在小功率開關電源上也使用GTR。任務1 開關電源的設計單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級202

3、2-5-56通過完成本任務，使學生掌握DC/DC變換電路中的核心器件。任務解析單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-57一二知識鏈接單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-581.門極可關斷晶閘管(GTO)門極可關斷晶閘管GTO，具有普通晶閘管的全部特性，如耐壓高（工作電壓可高6000V）、電流大（6000A）、價格便宜點。 一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-591.門極可關斷晶閘管(GTO)在它的

4、內(nèi)部有電子和空穴兩圖種載流子參與導電，所以它屬于全控型雙極型器件。當在GTO的門極加正脈沖信號（陽極高電位，門極低電位）時，觸發(fā)導通；加門極負脈沖信號（陽極低電位，門極高電位）時，觸發(fā)關斷。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5101.門極可關斷晶閘管(GTO)它的電氣符號如圖5-1所示。它有陽極A、陰極K和門極G三個電極。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5111.門極可關斷晶閘管(GTO)由于門極可關斷，關斷期間功耗較大。 G

5、TO導通后的管壓降比較大，一般為2-3V。另外，由于導通壓降較大，門極觸發(fā)電流較大，所以GTO的導通功耗與門極功耗均較普通晶閘管大。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5121.門極可關斷晶閘管(GTO)盡管采用高幅值的窄脈沖可以減少關斷所需的能量，但還是要采用專門的觸發(fā)驅動電路。用門極正脈沖可使GTO開通，門極負脈沖可以使其關斷，這是GTO最大的優(yōu)點。但使GTO關斷的門極反向電流比較大，約為陽極電流的1/5。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級

6、2022-5-5131.門極可關斷晶閘管(GTO)圖5-2(a)所示為小容量GTO門極驅動電路，屬電容儲能電路。l 圖5-2(a)所示為小容量GTO門極驅動電路，屬電容儲能電路。l 工作原理是利用正向門極電流向電容充電觸發(fā)GTO導通；當關斷時，電容儲能釋放形成門極關斷電流。圖中Ec是電路的工作電源，U1為控制電壓。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5141.門極可關斷晶閘管(GTO)圖5-2(a)所示為小容量GTO門極驅動電路，屬電容儲能電路。l 當U1=0時，復和管V1、V2飽和導通，V3、V4截止，電源Ec

7、對電容C充電形成正向門極電流，觸發(fā)GTO導通；當U10時，復和管V3、V4飽和導通，電容C沿VD1、V4放電，形成門極反向電流，使GTO關斷，放電電流在VD1上的壓降保證了V1、V2截止。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5151.門極可關斷晶閘管(GTO)圖5-2(b)所示是一種橋式驅動電路。l 當在晶體管V1、V3的基極加控制電壓使它們飽和導通時，GTO觸發(fā)導通；當在普通晶閘管VS2、VS4的門極加控制電壓使其導通時，GTO關斷。l 考慮到關斷時門極電流較大，所以用普通晶閘管。l 晶體管組和晶閘管組是不能同

8、時導通的。 一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5161.門極可關斷晶閘管(GTO)圖5-2(b)所示是一種橋式驅動電路。l 圖5-2(b)中電感L的作用是在晶閘管陽極電流下降期間，釋放所存儲的能量，以保證GTO的門極關斷電流，提高關斷能力。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5171.門極可關斷晶閘管(GTO)以上所述的兩種觸發(fā)電路都只能用于300A以下的GTO的導通，對于300A以上的GTO可用圖5-2(c)所示的觸發(fā)電路來控制

9、。l 當V1、VD導通時，GTO導通；當V2、VS導通時，GTO關斷。l 由于控制電路與主電路之間用了變壓器進行隔離，GTO導通、關斷時的電流不影響控制電路，所以提高了電路的容量。實現(xiàn)了用較小電壓對大電流電路的控制。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5181.門極可關斷晶閘管(GTO)u GTO主要用于高電壓、大功率的直流變換電路即斬波電路、逆變器電路中，例如恒壓恒頻電源即CVCF、常用的不停電電源(UPS)等，此外還有調頻調壓電源即VVVF，較多用于風機、水泵、軋機、牽引等交流變頻調速系統(tǒng)中。u其方式以微型計

10、算機控制和以脈寬調制(PWM)控制方式發(fā)展最快。u此外，由于耐壓高、電流大、開關速度快、控制電路簡單方便等特點，GTO還特別適用于汽油機點火系統(tǒng)。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5192.大功率晶體管GTR（1）基本結構通常把集電極最大允許耗散功率在1W以上，或最大集電極電流在1A以上的晶體管稱為大功率晶體管(GTR)，其結構和工作原理都和小功率晶體管非常相似。由三層半導體、兩個PN結組成，有PNP和NPN兩種結構，其電流由兩種載流子（電子和空穴）的運動形成，所以稱為雙極型晶體管。一、常用的典型開關器件單擊此

11、處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5202.大功率晶體管GTR（1）基本結構圖5-3（a）是NPN型功率晶體管的內(nèi)部結構，圖形符號如圖5-3（b）所示。（a）GTR的結構 （b）圖形符號（c）內(nèi)部載流子的流動一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5212.大功率晶體管GTR（1）基本結構大多數(shù)GTR是三重擴散法制成的，或者是在集電極高摻雜的N+硅襯底上用外延生長法生長一層N漂移層，然后在上面擴散P基區(qū)，接著擴散摻雜的N+發(fā)射區(qū)?！薄耙?、常用的典型開關器件單擊此

12、處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5222.大功率晶體管GTR（1）基本結構大功率晶體管通常采用共發(fā)射極接法，圖5-3（c）給出了共發(fā)射極接法時的功率晶體管內(nèi)部主要載流子流動示圖。1為從基極注入的越過正向偏置發(fā)射結的空穴2為與電子復合的空穴3為因熱騷動產(chǎn)生的載流子構成的集電結漏電流4為越過集電極電流的電子5為發(fā)射極電子流在基極中因復合而失去的電子一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5232.大功率晶體管GTR（1）基本結構一些常見大功率晶體管的外形如圖5-4

13、所示。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5242.大功率晶體管GTR（1）基本結構從圖可見，大功率晶體管的外形除體積比較大外，其外殼上都有安裝孔或安裝螺釘，便于將晶體管安裝在外加的散熱器上。因為對大功率晶體管來講，單靠外殼散熱是遠遠不夠的。例如，50W的硅低頻大功率晶體管，如果不加散熱器工作，其最大允許耗散功率僅為23w。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5252.大功率晶體管GTR（1）基本結構國產(chǎn)晶體管的型號及命名通常由以下

14、四部分組成：用3表示晶體管的電極數(shù)目。1 1用A、B、C、D字母表示晶體管的材料和極性。其中A表示晶體管為PNP型鍺管，B表示晶體管為NPN型鍺管，C表示晶體管為PNP型硅管，D表示晶體管為NPN型硅管。2 2一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5262.大功率晶體管GTR（1）基本結構國產(chǎn)晶體管的型號及命名通常由以下四部分組成：用字母表示晶體管的類型。X表示低頻小功率管，G表示高頻小功率管，D表示低頻大功率管，A表示高頻大功率管。3 3用數(shù)字和字母表示晶體管的序號和擋級，用于區(qū)別同類晶體管器件的某項參數(shù)的不同。

15、4 4例如：3AD30V-PNP低頻大功率鍺晶體管一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5272.大功率晶體管GTR (2)工作原理GTR主要工作在開關狀態(tài)；晶體管通常連接成共發(fā)射極電路，NPN型GTR通常工作在正偏(Ib0)時大電流導通；反偏(Ib0)時處于截止高電壓狀態(tài)。因此，給GTR的基極施加幅度足夠大的脈沖驅動信號，它將工作于導通和截止的開關工作狀態(tài)。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5282.大功率晶體管GTR (2)工作

16、原理靜態(tài)特性1共發(fā)射極接法時，GTR的典型輸出特性如圖5-5，可分為三個工作區(qū)l 在截止區(qū)內(nèi)，Ib0,Ube0,Ubc0，集電極只有漏電流流過。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5292.大功率晶體管GTR (2)工作原理靜態(tài)特性1共發(fā)射極接法時，GTR的典型輸出特性如圖5-5，可分為三個工作區(qū)l 在截止區(qū)內(nèi)，Ib0,Ube0,Ubc0，集電極只有漏電流流過。兩個PN結都為正向偏置是飽和的特征，飽和時集電極、發(fā)射極間的管壓降Uces很小，相當于開關接通。這時盡管電流很大，但損耗并不大。GTR剛進入飽和時為臨界飽

17、和，若Ib繼續(xù)增加，則為過飽和。用做開關時，應工作在深度飽和狀態(tài)，這有利于降低Uces和減小導通時的損耗。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5302.大功率晶體管GTR (2)工作原理GTR的參數(shù)2GTR上所施加的電壓超過規(guī)定值時，就會發(fā)生擊穿。最高工作電壓擊穿電壓不僅和本身特性有關，還與外電路接法有關。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5312.大功率晶體管GTR (2)工作原理GTR的參數(shù)2基極開路時，集電極和發(fā)射極之間的擊

18、穿電壓。發(fā)射極開路時，集電極和基極間的反向擊穿電壓。(B表示極限的意思)。實際電路中，GTR的發(fā)射極和基極之間常接有電阻器R，這時用BUceo表示集電極和發(fā)射極之間的擊穿電壓。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5322.大功率晶體管GTR (2)工作原理GTR的參數(shù)2發(fā)射結反向偏置時，集電極和發(fā)射極之間的擊穿電壓。其中BUcboBUcexBUcexBUcerBUceo，實際使用時，為確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得多。當R為0，即發(fā)射極和基極短路，用BUces表示其擊穿電壓。一、常用的典型開關器件單擊此

19、處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5332.大功率晶體管GTR (2)工作原理GTR的參數(shù)2GTR流過的電流過大，會使GTR參數(shù)劣化，性能將變得不穩(wěn)定，尤其是發(fā)射極的集邊效應可能導致GTR損壞。集電極最大允許電流IcMl 因此，必須規(guī)定集電極最大允許電流值。l 通常規(guī)定共發(fā)射極電流放大系數(shù)下降到規(guī)定值的1/3 1/2時，所對應的電流Ic為集電極最大允許電流，以IcM表示。l 實際使用時還要留有較大的安全裕量，一般只能用到IcM值的一半或稍多些。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級

20、 第五級2022-5-5342.大功率晶體管GTR (2)工作原理集電極最大耗散功率PcM3集電極最大耗散功率是在最高工作溫度下允許的耗散功率用PcM表示，它是GTR容量的重要標志。晶體管功耗的大小主要由集電極工作電壓和工作電流的乘積來決定，它將轉化為熱能使晶體管升溫，晶體管會因溫度過高而損壞。實際使用時，集電極允許耗散功率和散熱條件與工作環(huán)境溫度有關。所以在使用中應特別注意，Ic不能過大，散熱條件要好。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5352.大功率晶體管GTR (2)工作原理最高工作結溫TJM4GTR正常

21、工作允許的最高結溫，以TJM表示。GTR結溫過高時，會導致熱擊穿而燒壞。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5362.大功率晶體管GTR（3）GTR的二次擊穿和安全工作區(qū)二次擊穿問題1實踐表明，GTR即使工作在最大耗散功率范圍內(nèi)，仍有可能突然損壞，一般是由二次擊穿引起的。二次擊穿是影響GTR安全可靠工作的一個重要因素。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5372.大功率晶體管GTR（3）GTR的二次擊穿和安全工作區(qū)二次擊穿問題11

22、1二次擊穿是由于集電極電壓升高到一定值（未達到極限值）時，發(fā)生雪崩效應造成的。2 2照理，只要功耗不超過極限，晶體管是可必承受的，但是在實際使用中，出現(xiàn)負阻效應，Ic進一步劇增。3 3由于晶體管結面的缺陷、結構參數(shù)的不均勻，使局部電流密度劇增，形成惡性循環(huán)，使晶體管損壞。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5382.大功率晶體管GTR（3）GTR的二次擊穿和安全工作區(qū)二次擊穿問題1防止二次擊穿的辦法有B必須有電壓電流緩沖保護措施。A應使實際使用的工作電壓比反向擊穿電壓低得多；一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版

23、標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5392.大功率晶體管GTR（3）GTR的二次擊穿和安全工作區(qū)安全工作區(qū)2以直流極限參數(shù)IcM、PcM、UceM構成的工作區(qū)為一次擊穿工作區(qū)，如圖5-6所示。圖5-6 GTR安全工作區(qū)一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5402.大功率晶體管GTR（3）GTR的二次擊穿和安全工作區(qū)安全工作區(qū)2以3DD8E 晶體管測試數(shù)據(jù)為例，其PcM=100W，BUceo200v，但由于受到擊穿的限，當Uce=100v時，PSB為60W,Uce=20

24、0v時PSB僅為28W。以USB（二次擊穿電壓）與ISB（二次擊穿電流）組成的PSB（二次擊穿功率）如圖中虛線所示，它是一個不等功率曲線。所以要選用足夠大功率的晶體管，實際使用的最高電壓通常比晶體管的極限電壓低得多。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5412.大功率晶體管GTR（3）GTR的二次擊穿和安全工作區(qū)安全工作區(qū)2一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-542 3.電力MOSFET電力MOSFET與GTR相比，具有開關速度快、

25、損耗低、驅動電流小、無二次擊穿現(xiàn)象等優(yōu)點。它的缺點是電壓不能太高，電流容量也不能太大，所以目前只適用于小功率電力電子變流裝置。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-543 3.電力MOSFET （1）結構功率場效應晶體管是壓控型器件，其門極控制信號是電壓。它的三個極分別是柵極G、源極S、漏極D。功率場效應晶體管有N溝道和P溝道兩種。N溝道中載流子是電子，P溝道中載流子是空穴，都是多數(shù)載流子。其中每一類又可分為增強型和耗盡型兩種。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級

26、 第四級 第五級2022-5-544 3.電力MOSFET （1）結構耗盡型就是當柵源間電壓UGS=0時存在導電溝道，漏極電流ID0；增強型就是當UGS=0時沒有導電溝道，ID=0，只有當UGS0（N溝道）或UGS0（P溝道）時才開始有ID。電力MOSFET管絕大多數(shù)是N溝道增強型，這是因為電子作用比空穴大得多。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-545 3.電力MOSFET （1）結構N溝道和P溝道MOSFET的電氣圖形符號如圖5-7所示。（a）功率MOSFET的結構（b）電氣圖形符號一、常用的典型開關器件單擊

27、此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-546 3.電力MOSFET （1）結構大功率場效應晶體管與小功率場效應晶體管原理基本相同，但是為了提高電流容量和耐壓能力，在芯片結構上有很大不同：電力場效應晶體管采用小單元集成結構來提高電流容量和耐壓能力，并且采用垂直導電排列來提高耐壓能力。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-547 3.電力MOSFET（2）工作原理如果在G、S之間加一正電壓UGS，由于柵極是絕緣的，所以不會有電流流過，但柵極的正電壓會將其下面P區(qū)中的

28、空穴推開，而將P區(qū)中的少數(shù)載流子電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面。當D、S加正電壓（漏極為正，源極為負），UGS=0，P體區(qū)和N漏區(qū)的PN結反偏，D、S之間無電流通過；一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-548 3.電力MOSFET（2）工作原理當UGS大于某一電壓UT時，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，從而使p型半導體反型成N型半導體而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結消失，漏極和源極導電。電壓UT稱為開啟電壓或閥值電壓，UGS超過UT越多，導電能力越強，漏極電流越大。一、常用的典型開關器件單擊此處編

29、輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-549 3.電力MOSFET（3）電力MOSFET的特性與參數(shù)轉移特性1（a）轉移特性MOSFET是電壓控制型器件，其輸入阻抗極高，輸入電流非常小。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-550 3.電力MOSFET（3）電力MOSFET的特性與參數(shù)輸出特性2圖5-8（b）是MOSFET的漏極伏安特性，即輸出特性。從圖中可以看出，MOSFET有三個工作區(qū)：（b）輸出特性l UGSUT，ID=0，這和電力晶體管的截止區(qū)相對應。l UG

30、SUT，UGSUGS-UT，當UGS不變時，ID幾乎不隨UDS的增加而增加，近似為一個常數(shù)，故稱飽和區(qū)。這里的飽和區(qū)并不和電力晶體管的飽和區(qū)對應，而對應于后者的放大區(qū)。當用做線性放大時，MOSFET工作在該區(qū)。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-551 3.電力MOSFET（3）電力MOSFET的特性與參數(shù)輸出特性2圖5-8（b）是MOSFET的漏極伏安特性，即輸出特性。從圖中可以看出，MOSFET有三個工作區(qū)：（b）輸出特性l UGSUT，UDSUGS-UT，漏源電壓UDS和漏極電流ID之比近似為常數(shù)。該區(qū)對應

31、于電力晶體管的飽和區(qū)。當MOSFET做開關應用而導通時即工作在該區(qū)。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-552 3.電力MOSFET（3）電力MOSFET的特性與參數(shù)輸出特性2u在制造電力MOSFET時，為提高跨導并減少導通電阻，在保證所需耐壓的條件下，應盡量減少溝道長度。u因此，每個MOSFET元都要做得很小，每個元件通過的電流也很小。u為了能使器件通過較大的電流，每個器件由許多個MOSFET元組成。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022

32、-5-553 3.電力MOSFET（3）電力MOSFET的特性與參數(shù)電力MOSFET的主要參數(shù)3它就是電力MOSFFT的額定電壓，選用時必須留有較大安全余量。它就是MOSFET的額定電流，其大小主要受晶體管的溫升限制。柵極與源極之問的絕緣層很薄，承受電壓很低，一般不得超過20v，否則絕緣層可能被擊穿而損壞，使用中應加以注意。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-554 3.電力MOSFET（3）電力MOSFET的特性與參數(shù)電力MOSFET的主要參數(shù)3為了安全可靠，在選用MOSFET時，對電壓、電流的額定等級都應留有

33、較大余量。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5554.絕緣柵雙極型晶體管IGBT（1） IGBT的結構和基本工作原理123絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，是一種新發(fā)展起來的復合型電力電子器件。由于它結合了MOSFET和GTR的特點，既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和驅動電路簡單的優(yōu)點，又具有輸入通態(tài)電壓低，耐壓高和承受電流大的優(yōu)點，這些都使IGBT比GTR有更大的吸引力。在變頻器驅動電機、中頻和開關電源以及要求快速、低損耗的領域，ICBT有著主導地位。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編

34、輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5564.絕緣柵雙極型晶體管IGBT（1） IGBT的結構和基本工作原理基本結構1IGBT也是三端器件，它的三個極為漏極(D)、柵極(G)和源極(S)。（a）內(nèi)部結構圖5-9(a)是一種由N溝道電力MOSFET與晶體管復合而成的IGBT的基本結構。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5574.絕緣柵雙極型晶體管IGBT（1） IGBT的結構和基本工作原理基本結構1與圖3-5對照可以看出，IGBT比電力MOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，因而形成了一個大面積的P

35、+N+結J1，這樣使得IGBT導通時由P+注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少數(shù)載流子，從而對漂移區(qū)電導率進行調制，使得IGBT具有很強的通流能力。圖3-5 雙向晶閘管伏安特性一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5584.絕緣柵雙極型晶體管IGBT（1） IGBT的結構和基本工作原理基本結構1其簡化等值電路如圖5-9(b)所示。可見，IGBT是以GTR為主導器件，MOSFET為驅動器件的復合管，圖中RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調制電阻器。圖5-9(c)為IGBT的圖形符號。（b）簡化等效電路（c）圖形符號一、常用的典型開關器件單擊此處編

36、輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5594.絕緣柵雙極型晶體管IGBT（1） IGBT的結構和基本工作原理工作原理2其開通和關斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的，當UGE為正且大于開啟電壓UGE（th）時，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流使其導通。IGBT的驅動原理與電力MOSFET基本相同，它是一種壓控器件。當柵極與發(fā)射極之間加反向電壓或不加電壓時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管無基極電流，IGBT關斷。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-

37、5604.絕緣柵雙極型晶體管IGBT（1） IGBT的結構和基本工作原理工作原理2上面介紹的PNP晶體管與N溝道MOSFET組合而成的IGBT稱為N溝道IGBT，其圖形符號如圖5-7(c)所示。對應的還有P溝道IGBT。統(tǒng)稱為IGBT。由于實際應用中以N溝道IGBT為多，因此下面仍以N溝道IGBT為例進行介紹。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5614.絕緣柵雙極型晶體管IGBT（2）IGBT的靜態(tài)特性與主要參數(shù)IGBT的靜態(tài)特性1與電力MOSFET相似，IGBT的轉移特性和輸出特性分別描述器件的控制能和工作狀

38、態(tài)。圖5-10（a）為IGBT的轉移特性，它描述的是集電極電流Ic與柵射電壓UGE之間的關系，與電力MOSFET的轉移特性相似。（a）轉移特性一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5624.絕緣柵雙極型晶體管IGBT（2）IGBT的靜態(tài)特性與主要參數(shù)IGBT的靜態(tài)特性1開啟電壓UCE(th)是IGBT能實現(xiàn)電導調制而導通的最低柵射電壓。UCE(th)隨溫度升高而略有下降，溫度升高1，其值下降5mV左右。在+25時，UCE(th)的值一般為26V。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣

39、式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5634.絕緣柵雙極型晶體管IGBT（2）IGBT的靜態(tài)特性與主要參數(shù)IGBT的靜態(tài)特性1圖5-10(b)為IGBT的輸出特性，它描述的是以柵射電壓為參考變量時，集電極電流Ic與集射極間電壓UCE之間的關系。（b）轉移特性一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5644.絕緣柵雙極型晶體管IGBT（2）IGBT的靜態(tài)特性與主要參數(shù)IGBT的靜態(tài)特性1l 此特性與GTR的輸出特性相似，不同的是參考變量，IGBT為柵射電壓UGE，GTR為基極電流IB。l IGBT的輸出特性

40、也分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。這分別與GTR的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對應。l 此外，當uCE0，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)。l 在電力電子電路中，IGBT工作在開關狀態(tài)，因而是在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間來同轉換。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5654.絕緣柵雙極型晶體管IGBT（2）IGBT的靜態(tài)特性與主要參數(shù)主要參數(shù)2n 這個電壓值是廠家根據(jù)器件的雪崩擊穿電壓而規(guī)定的，是柵極發(fā)射極短路時ICBT能承受的耐壓值，即UCES值小于等于雪崩擊穿電壓。電極發(fā)射極額定電壓UCES一、常用的典型開關器件

41、單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5664.絕緣柵雙極型晶體管IGBT（2）IGBT的靜態(tài)特性與主要參數(shù)主要參數(shù)2IGBT是電壓控制器件，靠加到柵極的電壓信號控制IGBT的導通和關斷，而UCES就是柵極控制信號的電壓額定值。目前，IGBT的UCES值大部分為+20V，使用中不能超過該值。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5674.絕緣柵雙極型晶體管IGBT（2）IGBT的靜態(tài)特性與主要參數(shù)主要參數(shù)2額定集電極電流Ic該參數(shù)給出了IGBT在導通時能流過

42、晶體管的持續(xù)最大電流。一、常用的典型開關器件單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5681.基本的直流斬波（DCDC變換）電路DCDC變換電路廣泛應用于開關電源、無軌電車、地鐵列車、蓄電池供電的機車車輛的無級變速以及20世紀80年代興起的電動汽車調速及控制。開關電源的核心技術就是DCDC變換電路。DCDC變換電路用于將直流電壓變換成固定的或可調的直流電壓。二、開關電源單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5691.基本的直流斬波（DCDC變換）電路（a）電路最基本的直流斬波電路如

43、圖5-11(a)所示，輸入電壓為Ud，負載為純電阻R。二、開關電源單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5701.基本的直流斬波（DCDC變換）電路當開關S閉合時，負載電壓u0=Ud，并持續(xù)時間ton；當開關S斷開時，負載上電壓u0=0V，并持續(xù)時間toff。則TS=ton+toff為斬波電路的工作周期，斬波器的輸出電壓波形如圖5-11（b）所示。二、開關電源單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5711.基本的直流斬波（DCDC變換）電路只要調節(jié)D，即可調節(jié)負載的平均電壓。二、

44、開關電源單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5721.基本的直流斬波（DCDC變換）電路常見的DC/DC變換電路有非隔離型電路、隔離型電路和軟開關電路。非隔離型電路即各種直流斬波電路，根據(jù)電路形式的不同可以分為降壓型( Buck)電路、升壓型(Boost)電路、升降壓(Boost-Buck)電路、庫克式(Cuk)斬波電路。其中降壓式斬波電路、升壓式斬波電路是基本形式，升降壓式和庫克式是它們的組合。二、開關電源單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5731.基本的直流斬波（DCD

45、C變換）電路（1）降壓斬波電路電路結構1降壓斬波電路是一種輸出電壓的平均值低于輸入直流電壓的電路。它主要用于直流穩(wěn)壓電源和直流電機的調速。二、開關電源單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5741.基本的直流斬波（DCDC變換）電路（1）降壓斬波電路電路結構1降壓斬波電路的原理圖及工作波形如圖5-12所示。(d)電路工作波形二、開關電源單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5751.基本的直流斬波（DCDC變換）電路（1）降壓斬波電路電路結構1l 圖中Ud為同定電壓的輸入直流電源

46、，v為開關管（可以是大功率晶體管GTR，也可以是電力場效應晶體管MOSFET或者是絕緣柵雙極晶體管lGBT）。l R為負載，為在VT關斷時給負載中的電感電流提供通道，還設置了續(xù)流二極管VD。二、開關電源單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5761.基本的直流斬波（DCDC變換）電路（1）降壓斬波電路電路的工作原理21t=0時刻，驅動V導通，電源Ud向負載供電，忽略v的導通壓降，負載電壓u0=Ud，負載電流按指數(shù)規(guī)律上升。2t=t1時刻，撤去v的驅動使其關斷，因電感性負載電流不能突變，負載電流通過續(xù)流二極管VD續(xù)流，忽略VD導通壓降，負

47、載電壓u0=0v，負載電流按指數(shù)規(guī)律下降。為使負載電流連續(xù)且脈動小，一般需串聯(lián)較大的電感器L，L又稱平波電感。二、開關電源單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5771.基本的直流斬波（DCDC變換）電路（1）降壓斬波電路電路的工作原理23t=t2時刻，再次驅動V導通，重復上述工作過程。二、開關電源單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5781.基本的直流斬波（DCDC變換）電路（1）降壓斬波電路電路的工作原理2由于電感器電壓在穩(wěn)態(tài)時為0，即一個周期內(nèi)的平均值必須為0，因此可推導

48、出： 00011010STdSSL tSSudtUUDTUD TTT 因此得0dUDU只要調節(jié)D，即可調節(jié)負載的平均電壓。二、開關電源單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5791.基本的直流斬波（DCDC變換）電路（2）升壓斬波電路電路的結構1升壓斬波電路的輸出電壓總是高于輸入電壓。升壓式斬波電路與降壓斬波電路最大的不同點是，斬波控制開關V與負載呈并聯(lián)形式連接，儲能電感器L與負載呈串聯(lián)形式連接，升壓斬波電路的原理圖及工作波形如圖5-13所示。 二、開關電源單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五

49、級2022-5-5801.基本的直流斬波（DCDC變換）電路（2）升壓斬波電路電路的結構1二、開關電源單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5811.基本的直流斬波（DCDC變換）電路（2）升壓斬波電路電路的工作原理2當V導通時（ton），能量儲存在L中。由于VD截止，所以ton期間負載電流由C供給。在toff期間，V截止，儲存在L中的能量通過VD傳遞到負載和C其電壓的極性與Ud相同，且與Ud相串聯(lián)，提供一種升壓作用。二、開關電源單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5821.基

50、本的直流斬波（DCDC變換）電路（2）升壓斬波電路電路的工作原理2由于電感器電壓在穩(wěn)態(tài)時為0，即一個周期內(nèi)的平均值必須為0，因此可推導出可得：上式中輸出電壓高于電源電壓，故稱該電路為升壓斬波電路。調節(jié)D大小，即可改變輸出電壓U0的大小。 0011010STdSdSL tSSudtUDTUUD TTT （5-2） 011dUUD二、開關電源單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5831.基本的直流斬波（DCDC變換）電路（2）升壓斬波電路電路的工作原理2同理，由于電容器電流存穩(wěn)態(tài)時為0，即一個周期內(nèi)的平均值必須為0，因此可推導可得： （5

51、-3） 000110110STCSSSSUUit dtDTD TTTRR0011UIID RD即輸人電流與輸出電流的關系。二、開關電源單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5841.基本的直流斬波（DCDC變換）電路 （3）升降壓斬波電路電路結構1升降壓斬波電路可以得到高于或低于輸入電壓的輸出電壓。電路原理圖電路原理圖（b）該電路的結構特征是儲能電感器與負載并聯(lián)，續(xù)流二極管VD反向串聯(lián)接在儲能電感器與負載之間。 二、開關電源單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5851.基本的直

52、流斬波（DCDC變換）電路 （3）升降壓斬波電路電路結構1電路分析前可先假設電路中電感器L很大，使電感器電流iL和電容器電壓及負載電壓u0基本穩(wěn)定。二、開關電源單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5861.基本的直流斬波（DCDC變換）電路 （3）升降壓斬波電路工作原理2電路的基本工作原理是：V通時，電源Ud經(jīng)V向L供電使其貯能，此時二極管V反偏，流過V的電流為i1。由于VD反偏截止，電容器C向負載R提供能量并維持輸出電壓基本穩(wěn)定，負載R及電容器C上的電壓極性為上負下正，與電源極性相反。二、開關電源單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編

53、輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5871.基本的直流斬波（DCDC變換）電路 （3）升降壓斬波電路工作原理2V斷時，電感器L極性變反，VD正偏導通，L中儲存的能量通過VD向負載釋放，電流為i2，同時電容器C被充電儲能。負載電壓極性為上負下正，與電源電壓極性相反，該電路又稱反極性斬波電路。二、開關電源單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5881.基本的直流斬波（DCDC變換）電路 （3）升降壓斬波電路工作原理2穩(wěn)態(tài)時，一個周期以內(nèi)，電感器L兩端電壓uL對時間的積分為零，即00TLu dt 當V處于通態(tài)期間uL

54、=Ud；而當V處于斷態(tài)期間，uL=-u0。于是有00onoffU tU t二、開關電源單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5891.基本的直流斬波（DCDC變換）電路 （3）升降壓斬波電路工作原理2所以輸出電壓為上式中，若改變占空比D，則輸出電壓既可高于電源電壓，也可能低于電源電壓。01onondddoffSoffttDUUUUtTtD上式中，若改變占空比D，則輸出電壓既可高于電源電壓，也可能低于電源電壓。（5-4）二、開關電源單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5901.基

55、本的直流斬波（DCDC變換）電路 （3）升降壓斬波電路工作原理2由此可知，當0Dl/2時，斬波器輸出電壓低于直流電源輸入，此時為降壓斬波器；當l/2Dl時，斬波器輸出電壓高于直流電源輸入，此時為升壓斬波器。二、開關電源單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5911.基本的直流斬波（DCDC變換）電路（4）Cuk斬波電路圖5-15所示為Cuk斬波電路的原理圖、等效電路及工作波形。l V通時，U-L1-V回路和R-L2-C-V回路分流過電流l V斷時， U-L1-C-VD回路和R-L2-VD叫路分別流過電流；輸出電壓的極性與電源電壓極性相反

56、；等效電路如圖5-15(b)所示。 二、開關電源單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-592上式中，若改變占空比D，則輸出電壓既可高于電源電壓，也可能低于電源電壓。1.基本的直流斬波（DCDC變換）電路（4）Cuk斬波電路輸出電壓為：1ononOoffSonttDUUUUtTtD若改變導通比D，則輸出電壓可以比電源電壓高，也可以比電源電壓低。當ODI/2時為降壓，當I/2Dl時為升壓。（5-5）二、開關電源單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5931.基本的直流斬波（DCDC變

57、換）電路（4）Cuk斬波電路這一輸入輸出關系與升降壓斬波電路時的情況相同。但與升降壓斬波電路相比，輸入電源電流和輸出負載電流都是連續(xù)的，且脈動很小，有利十對輸入、輸出進行濾波。二、開關電源單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5942.SG3525控制與驅動電路開關電源中，輸出電壓U0大小的調節(jié)主要有兩大類。二、開關電源單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5952.SG3525控制與驅動電路占空比控制又包括兩大類0102脈沖頻率控制脈沖寬度控制（1）占空比控制方式二、開關電源單

58、擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5962.SG3525控制與驅動電路01脈沖寬度控制脈沖寬度控制是指開關工作頻率（即開關周期TS（ton）來控制輸出電壓U0大小的一種方式。因為改變開關導通時間ton就是改變開關控制電壓UC的脈沖寬度，因此又稱脈沖寬度調制（PWM）控制。（1）占空比控制方式二、開關電源單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5972.SG3525控制與驅動電路01脈沖寬度控制PWM控制方式因為采用了固定的開關頻率，設計濾波電路時就簡單方便；受功率開關管最小導通時

59、間的限制，對輸出電壓不能作寬范圍的調節(jié)，此外，為防止空載時輸出電壓升高，輸出端一般要接假負載（預負載）。（1）占空比控制方式二、開關電源單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5982.SG3525控制與驅動電路目前集成開關電源大多采用PWM控制方式。01脈沖寬度控制（1）占空比控制方式二、開關電源單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-5992.SG3525控制與驅動電路02脈沖頻率控制脈沖頻率控制是指開關控制電壓UC的脈沖寬度（ton）不變的情況下，通過改變開關工作頻率（改變單位

60、時間的脈沖數(shù)，及改變TS）而達到控制輸出電壓U0大小的一種方式，又稱脈沖頻率調制（PFM）控制。（1）占空比控制方式二、開關電源單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-51002.SG3525控制與驅動電路（2）幅度控制方式 即通過改變開關的輸入電壓Ud的幅值而控制輸出電壓Ud的大小的控制方式，但要配置滑動調節(jié)器。二、開關電源單擊此處編輯母版標題樣式 單擊此處編輯母版文本樣式 第二級 第三級 第四級 第五級2022-5-51012.SG3525控制與驅動電路（3）PWM控制電路的基本構成和原理PWM控制電路的基本組成和工作波形二、開關電源