電力電子技術(shù)模塊三-項(xiàng)目

電力電子技術(shù)2010年6月長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系*模塊三

開關(guān)電源開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。是一種高效率、高可靠性、小型化、輕型化的穩(wěn)壓電源，是電子設(shè)備的主流電源。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新，這為開關(guān)電源提供了廣闊的發(fā)展空間。如圖是常見的PC主機(jī)開關(guān)電源。長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系*本模塊分解成認(rèn)識(shí)大功率晶體管（GTR）和功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）、開關(guān)電源主電路兩個(gè)項(xiàng)目，通過(guò)學(xué)習(xí)相關(guān)的知識(shí)和實(shí)施相應(yīng)的項(xiàng)目，使學(xué)生在完成本模塊的項(xiàng)目后能夠：1．認(rèn)識(shí)大功率晶體管GTR和功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET。2．會(huì)選擇和測(cè)試大功率晶體管GTR和功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET。3．熟悉DC/DC變換電路的基本概念。4．能分析DC/DC變換電路的工作原理。5．在小組合作實(shí)施項(xiàng)目過(guò)程中培養(yǎng)與人合作的精神。6．學(xué)會(huì)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的方法。7．強(qiáng)化成本核算和安全用電意識(shí)、規(guī)范職業(yè)行為。長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系*項(xiàng)目五認(rèn)識(shí)大功率晶體管（GTR）和功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）【學(xué)習(xí)目標(biāo)】·觀察大功率晶體管GTR和功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET的外形，讓同學(xué)們認(rèn)識(shí)這兩種器件的外形結(jié)構(gòu)、端子及型號(hào)?！ねㄟ^(guò)測(cè)試，會(huì)判別器件的端子、判斷器件的好壞?！ねㄟ^(guò)選擇器件，掌握器件的基本參數(shù)、具備成本核算意識(shí)。長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系*一、項(xiàng)目分析開關(guān)電源是通過(guò)控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通與截止，將直流電壓變成連續(xù)的脈沖，再經(jīng)變壓器隔離降壓及輸出濾波后變?yōu)榈蛪旱闹绷麟?。那么，常用的開關(guān)器件有哪些？這些開關(guān)管在什么條件下導(dǎo)通？在什么情況下截止？它們的導(dǎo)通和截止是如何控制的？有哪些需要注意的問(wèn)題？下面來(lái)介紹相關(guān)知識(shí)。長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系*二、相關(guān)知識(shí)（一）大功率晶體管（GTR）1．大功率晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理

三端三層器件，有兩個(gè)PN結(jié)，分NPN型和PNP型。采用三重?cái)U(kuò)散臺(tái)面型結(jié)構(gòu)制成單管形式。結(jié)面積大、電流分布均勻，易散熱；但電流增益低。圖形符號(hào)長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系*長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系*2．GTR的特性與主要參數(shù)ton=td+tr開通時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff=ts+tftd延遲時(shí)間tr上升時(shí)間ts存儲(chǔ)時(shí)間tf下降時(shí)間長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系*GTR的安全工作區(qū)最高工作電壓集電極最大允許電流最大耗散功率二次擊穿功耗長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系*GTR主要參數(shù)一般指極限參數(shù)，即最高工作電壓、最大工作電流、最大耗散功率和最高工作結(jié)溫等。1）最高工作電壓。GTR上所施加的電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)，就會(huì)發(fā)生擊穿。擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關(guān)，還與外電路接法有關(guān)。U（BR）CBO：發(fā)射極開路時(shí)，集電極和基極間的反向擊穿電壓。U（BR）CEO：基極開路時(shí)，集電極和發(fā)射極之間的擊穿電壓。U（BR）CER：實(shí)際電路中，GTR的發(fā)射極和基極之間常接有電阻R，這時(shí)用BUcer表示集電極和發(fā)射極之間的擊穿電壓。U（BR）CES：當(dāng)R為0，即發(fā)射極和基極短路，用BUces表示其擊穿電壓。U（BR）CEX：發(fā)射結(jié)反向偏置時(shí)，集電極和發(fā)射極之間的擊穿電壓。其中

U（BR）CBO>U（BR）CEX

>U（BR）CES

>U（BR）CER

>U（BR）CEO，實(shí)際使用時(shí)，為確保安全，最高工作電壓要比U（BR）CEO低得多。長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系*2）集電極最大允許電流IcM。GTR流過(guò)的電流過(guò)大，會(huì)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(yīng)可能導(dǎo)致GTR損壞。因此，必須規(guī)定集電極最大允許電流值。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1/2～1/3時(shí)，所對(duì)應(yīng)的電流Ic為集電極最大允許電流，以IcM表示。實(shí)際使用時(shí)還要留有較大的安全余量，一般只能用到IcM值的一半或稍多些。3）集電極最大耗散功率PcM。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(biāo)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(lái)決定，它將轉(zhuǎn)化為熱能使晶體管升溫，晶體管會(huì)因溫度過(guò)高而損壞。實(shí)際使用時(shí)，集電極允許耗散功率和散熱條件與工作環(huán)境溫度有關(guān)。所以在使用中應(yīng)特別注意值IC不能過(guò)大，散熱條件要好。4）最高工作結(jié)溫TJM。GTR正常工作允許的最高結(jié)溫，以TJM表示。GTR結(jié)溫過(guò)高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致熱擊穿而燒壞。長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系*4．GTR的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)（1）GTR基極驅(qū)動(dòng)電路

1）對(duì)基極驅(qū)動(dòng)電路的要求。①主電路與控制電路間的電隔離。②在使GTR導(dǎo)通時(shí)，基極正向驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)有足夠陡的前沿，并有一定幅度的強(qiáng)制電流，以加速開通過(guò)程，減小開通損耗，如圖。③GTR導(dǎo)通期間，在任何負(fù)載下，基極電流都應(yīng)使GTR處在臨界飽和狀態(tài)，這樣既可降低導(dǎo)通飽和壓降，又可縮短關(guān)斷時(shí)間。④在使GTR關(guān)斷時(shí)，應(yīng)向基極提供足夠大的反向基極電流（見圖），以加快關(guān)斷速度，減小關(guān)斷損耗。⑤應(yīng)有較強(qiáng)的抗干擾能力，并有一定的保護(hù)功能。長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系*2）基極驅(qū)動(dòng)電路長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系*（2）GTR的保護(hù)電路

長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系*（二）功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管1．功率MOSFET的結(jié)構(gòu)及工作原理（1）結(jié)構(gòu)長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系*外形長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系*（2）工作原理當(dāng)D、S加正電壓（漏極為正，源極為負(fù)），UGS=0時(shí)，P體區(qū)和N漏區(qū)的PN結(jié)反偏，D、S之間無(wú)電流通過(guò)；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(huì)有電流流過(guò)，但柵極的正電壓會(huì)將其下面P區(qū)中的空穴推開，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(dāng)UGS大于某一電壓UT時(shí)，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過(guò)空穴濃度，從而使P型半導(dǎo)體反型成N型半導(dǎo)體而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電。電壓UT稱開啟電壓或閥值電壓，UGS超過(guò)UT越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，漏極電流越大。長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系*2．功率MOSFET的特性與參數(shù)（1）功率MOSFET的特性

長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系*長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系*（2）功率MOSFET的主要參數(shù)1）漏極電壓UDS。它就是MOSFET的額定電壓，選用時(shí)必須留有較大安全余量。2）漏極最大允許電流IDM。它就是MOSFET的額定電流，其大小主要受管子的溫升限制。3）柵源電壓UGS。柵極與源極之間的絕緣層很薄，承受電壓很低，一般不得超過(guò)20V，否則絕緣層可能被擊穿而損壞，使用中應(yīng)加以注意長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系*3．功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)（1）功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)1）對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電路的要求。①能向柵極提供需要的柵壓，以保證可靠開通和關(guān)斷MOSFET。②減小驅(qū)動(dòng)電路的輸出電阻，以提高柵極充放電速度，從而提高M(jìn)OSFET的開關(guān)速度。③主電路與控制電路需要電的隔離。④應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，這是由于MOSFET通常工作頻率高、輸入電阻大、易被干擾的緣故。長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系*理想的柵極控制電壓波形，如圖長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系*2）柵極驅(qū)動(dòng)電路舉例

長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系*（2）MOSFET的保護(hù)電路

1)防止靜電擊穿。2)防止偶然性振蕩損壞器件。3)防止過(guò)電壓。4)防止過(guò)電流。5)消除寄生晶體管和二極管的影響。長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系*三、項(xiàng)目實(shí)施（一）認(rèn)識(shí)GTR和MOSFET外形1．大功率晶體管GTR

長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系*2．功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的外形如圖所示。大多數(shù)功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的管腳位置排列順序是相同的，即從場(chǎng)效應(yīng)晶體管的底部（管體的背面）看，按逆時(shí)針方向依次為漏極D、源極S、柵極G1和柵極G2。因此，只要用萬(wàn)用表測(cè)出漏極D和源極S，即可找出兩個(gè)柵極。長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系*（二）解釋GTR和MOSFET型號(hào)的含義1．大功率晶體管GTR型號(hào)的含義

2．功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET型號(hào)的含義長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系*（三）GTR和MOSFET的簡(jiǎn)單測(cè)試1.大功率晶體管的檢測(cè)方法（1）用萬(wàn)用表判別大功率晶體管的電極和類型（2）通過(guò)測(cè)量極間電阻判斷大功率晶體管的好壞（3）檢測(cè)大功率晶