《電力電子技術(shù)》課件項目四 開關(guān)電源控制電路

項目四

開關(guān)電源控制電路1)概念

開關(guān)電源:就是利用電力電子器件（如全控器件：電力晶體管、電力場效應(yīng)管、絕緣柵雙極型晶體管等），將恒定的直流電源，通過控制器件的“接通”和“關(guān)斷”時間，實現(xiàn)輸出直流電壓調(diào)節(jié)。2）任務(wù)：1、器件學(xué)習(xí)

三種全控器件(GTR,電力MOSFET,IGBT)2、變流技術(shù)學(xué)習(xí)

斬波電路任務(wù)一、全控型器件學(xué)習(xí)

1、

電力晶體管

2、

電力場效應(yīng)晶體管

3、

絕緣柵雙極晶體管既可控制開通又可控制關(guān)斷的器件全控型器件通常分為電流控制型與電壓控制型。電流控制型：從控制極注入或抽出電流信號控制器件通斷，如門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、電力晶體管(GTR)、集成門極換流晶閘管(IGCT)等。

特點：控制功率較大、控制電路復(fù)雜、工作頻率低。電壓控制型：從控制極以電壓信號控制器件通斷，如電力場效應(yīng)管(簡稱功率MOSFET)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等。

特點：控制功率小、控制電路簡單、工作頻率較高。1、

電力晶體管■電力晶體管（GiantTransistor——GTR）按英文直譯為巨型晶體管，是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT）。在電力電子技術(shù)范圍內(nèi)，GTR和BJT兩名字等效。

在20世紀(jì)80年代以來，在中小功率范圍GTR取代晶閘管，但目前GTR大多已被IGBT和電力場效應(yīng)管取代?！鯣TR的結(jié)構(gòu)和工作原理

◆與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。

◆對于GTR來說，最主要的特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。

優(yōu)點：具有自關(guān)斷能力,飽和壓降低、開關(guān)時間短、安全工作區(qū)寬，功率容量大。

缺點:驅(qū)動電流較大、耐浪涌電流能力差、易受二次擊穿而損壞。

目前，電力晶體管常用的外形有四種：鐵殼封裝、塑殼封裝、模塊封裝和集成電路封裝。封裝的外形如圖1-17所示

（a）鐵殼封裝(b)塑殼封裝(c)模塊封裝(d)電路封1、電力晶體管(GTR)5/89?單管的GTR結(jié)構(gòu)與普通晶體管類似，它由三層半導(dǎo)體（分別引出集電極、基極和發(fā)射極）形成的兩個PN結(jié)（集電結(jié)和發(fā)射結(jié)）構(gòu)成，多采用NPN結(jié)構(gòu)。?

在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。

GTR的電流放大系數(shù)

=IC/IB，類似信息電子技術(shù)，

而GTR的說明書中通常給出直流電流增益hFE,，故一般認(rèn)為hFE約等于，單管GTR的

值比信息處理的晶體管小的多，通常為10左右，為獲得大電流，GTR通常采用至少由兩個晶體管按達林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)增大電流增益。GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號c)內(nèi)部載流子的流動+表示高摻雜濃度，-表示低摻雜濃度1）GTR的結(jié)構(gòu)2）電力晶體管的類型（1）單管電力晶體管可靠性高，能改善器件的二次擊穿特性，易于提高耐壓能力，并易于散出內(nèi)部熱量。（2）達林頓電力晶體管它是由2個或多個晶體管復(fù)合而成，可以是PNP型也可以是NPN型，其性質(zhì)取決于驅(qū)動管，它與普通復(fù)合三極管相似。如圖1-19所示達林頓電力晶體管的電流放大倍數(shù)很大，可以達到幾十至幾千倍。雖然達林頓電力晶體管大大提高了電流放大倍數(shù)，但其飽和管壓降卻增加了，增大了導(dǎo)通損耗，同時降低了管子的工作速度。

（a）NPN-NPN型達林頓結(jié)構(gòu)(b)PNP-NPN型達林頓結(jié)構(gòu)（3）電力晶體管模塊目前生產(chǎn)的GTR模塊，可將多達6個相互絕緣的單元電路制在同一個模塊內(nèi)，便于組成三相橋電路。這樣，大大提高了器件的集成度、工作的可靠性和性能價格比，同時也實現(xiàn)了小型輕量化。3）GTR的基本特性（靜態(tài)和動態(tài)）

(1)靜態(tài)特性

?GTR在共發(fā)射極接法時的典型輸出特性分為截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)三個區(qū)域。與普通晶體管類似。

注意：在電力電子電路中，GTR工作在開關(guān)狀態(tài)，即工作在飽和區(qū)或截止區(qū)。

?但在開關(guān)過程中，即在飽和區(qū)和截止區(qū)之間過渡時，一般要經(jīng)過放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce共發(fā)射極接法時GTR的輸出特性(2)動態(tài)特性

?開通過程

√開通時間ton為延遲時間td和上升時間tr之和。

?關(guān)斷過程√需要經(jīng)過儲存時間ts和下降時間tf，二者之和為關(guān)斷時間toff?！桃涌礻P(guān)斷速度，可減小導(dǎo)通時的飽和深度以減小儲存的載流子，從而可縮短ts，或增大基極抽取負(fù)電流Ib2的幅值和負(fù)偏壓，負(fù)面影響，減小飽和深度會使飽和導(dǎo)通壓降Uces增大而增大通態(tài)損耗。?比較：GTR的開關(guān)時間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管短很多。ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtdGTR的開通和關(guān)斷過程電流波形主要是由發(fā)射結(jié)勢壘電容和集電結(jié)勢壘電容充電產(chǎn)生的。

是用來除去飽和導(dǎo)通時儲存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時間的主要部分。4)GTR的主要參數(shù)除放大倍數(shù)

off，開通時間ton,關(guān)斷時間toff，對于GTR主要關(guān)心的還有：1）最高工作電壓

因GTR上所加的電壓超過規(guī)定值時，就會發(fā)生擊穿。

實際使用時，為確保安全，最高工作電壓要比BUceo（基極開路時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓）低得多。2）集電極最大允許電流ICM

通常規(guī)定直流電流放大系數(shù)hFE下降到規(guī)定值的1/2~1/3時所對應(yīng)的集電極最大允許電流。實際使用時要留有更大裕量，只能用到ICM的一半或稍多一點。3）集電極最大耗散功率PCM指在最高工作溫度下允許的耗散功率。（產(chǎn)品說明書中在給出PCM時總是同時給出殼溫TC,這就是最高工作溫度）2、

電力場效應(yīng)晶體管●如信息電子技術(shù)中所學(xué)的場效應(yīng)晶體管（MOSFET）一樣，電力場效應(yīng)晶體管也分為結(jié)型和絕緣柵型，通常主要指絕緣柵型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）,簡稱電力MOSFET（PowerMOSFET）?！窠Y(jié)型電力場效應(yīng)管一般稱為靜電感應(yīng)晶體管（SIT）●電力MOSFET是用柵極電壓來控制漏極電流。因此有以下顯著

特點:

1）驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。

2）具有自關(guān)斷能力，開關(guān)速度快，工作頻率高。

3）無二次擊穿，熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。

4）但電流容量小，耐壓低，一般只適應(yīng)于功率不超過10kW的電力電子裝置。

電力MOSFET1）電力MOSFET的種類

?按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道，同時又有耗盡型和增強型。?當(dāng)柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道的稱為耗盡型。

?對于N(P)溝道器件，當(dāng)柵極電壓大于（小于）零時漏源極之間才存在導(dǎo)電溝道的稱為增強型。

?在電力MOSFET中，主要是N溝道增強型。

?它是單極型的電壓控制型器件。

?結(jié)構(gòu)上與小功率MOS管有較大區(qū)別，小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷壳半娏OSFET大都采用了垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，故又稱為VMOSFET，這大大提高了器件的耐壓和耐電流能力。?按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的不同，又分為利用V型槽實現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET（VerticalV-grooveMOSFET）和具有垂直導(dǎo)電雙擴散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。這里主要以VDMOSFET器件為例進行討論。?電力MOSFET也是多元集成結(jié)構(gòu)，由許多小MOSFET元組成。電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號N溝道增強型VDMOS單元截面圖b)增強型電氣圖形符號2）電力MOSFET的結(jié)構(gòu)3）電力MOSFET的工作原理：關(guān)開

?截止：當(dāng)漏源極間接正電壓，柵極和源極間電壓為零時，漏源極之間無電流流過。

?導(dǎo)通：

√在柵極和源極之間加一正電壓UGS，當(dāng)UGS大于某一電壓值UT（開啟電壓或閾值電壓，一般為3V左右）時，漏極和源極導(dǎo)電。

√控制電壓UGS超過UT越多，導(dǎo)電能力越強，漏極電流ID越大。（1）靜態(tài)特性即轉(zhuǎn)移特性：指漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系，反映了輸入電壓和輸出電流的關(guān)系。

√ID較大時，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率被定義為電力MOSFET的跨導(dǎo)Gfs，即

電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

a)轉(zhuǎn)移特性(2-11)√可見，它是電壓控制型器件。4）電力MOSFET的基本特性?輸出特性

√是指電力MOSFET的ID與UDS間特性曲線。√分為三個區(qū)：截止區(qū)（對應(yīng)于GTR的截止區(qū)）、飽和區(qū)（對應(yīng)于GTR的放大區(qū)）、非飽和區(qū)（對應(yīng)于GTR的飽和區(qū)）。

飽和是指漏源電壓增加時漏極電流不再增加，

非飽和是指漏源電壓增加時漏極電流相應(yīng)增加。

√電力MOSFET工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。?由于本身結(jié)構(gòu)所致，漏極和源極之間形成了一個與MOSFET反向并聯(lián)的寄生二極管，使用時要注意。?通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利。電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

b)輸出特性

（2）動態(tài)特性

?開通過程（ton）√開通延遲時間td(on)：從

Up前沿到開始出現(xiàn)iD，達到開啟電壓UT?！屉娏魃仙龝r間tr：電流從

0上升到穩(wěn)態(tài)值。

開通時間ton=td(on)+tr

?關(guān)斷過程

√關(guān)斷延遲時間td(off)：從

Up下降沿到iD

開始下降，

這段時間為td(off)

√電流下降時間tf：iD從穩(wěn)態(tài)值減小到0的時間。

關(guān)斷時間toff=td(off)+tf

iDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf電力MOSFET的開關(guān)過程b)開關(guān)過程波形(a)(b)uGSP--進入非飽和區(qū)的柵極電壓注意：?開關(guān)時間在10~100ns之間，其工作頻率可達100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。?柵源之間的絕緣層很薄，|UGS|>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿。?電力MOSFET不存在二次擊穿問題，這是其一大優(yōu)點，但實際使用時仍應(yīng)留有適當(dāng)?shù)脑Ａ俊?、

絕緣柵雙極晶體管IGBT★GTR的特點：為雙極型，電流驅(qū)動，通流能力很強，但開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜?！镫娏OSFET優(yōu)點：單極型，電壓驅(qū)動，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單?！锝^緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點，即電壓控制、輸入阻抗高、開關(guān)速度快、飽和壓降低、損耗小、無二次擊穿現(xiàn)象、抗浪涌電流能力強等優(yōu)點。

IGBT單管及模塊外形?它是三端器件，具有柵極G、集電極C和發(fā)射極E。

?從結(jié)構(gòu)上看，IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，使IGBT具有很強的通流能力。

?簡化等效電路表明，IGBT是用GTR與MOSFET組成的達林頓結(jié)構(gòu)。

IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。

1）IGBT的結(jié)構(gòu)E問：從圖見它是幾端器件？IGBT與電力MOSFET結(jié)構(gòu)同與異？?IGBT的驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，是一種場控器件。?IGBT的開通和關(guān)斷均由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的。

√導(dǎo)通--當(dāng)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ID，使IGBT導(dǎo)通。

√關(guān)斷：當(dāng)柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得IGBT關(guān)斷。

2）IGBT的工作原理E

靜態(tài)特性(包括轉(zhuǎn)移特性和輸出特性)1)轉(zhuǎn)移特性

√它描述的是柵射電壓UGE與集電極電流IC之間的關(guān)系。

√UGE(th)是開啟電壓（是導(dǎo)通時最低柵射電壓），它隨溫度升高而略有下降，溫度每升高1度，其值下降5mV左右，在+25度時，UGE(th)的值一般為2-6V。

（a）轉(zhuǎn)移特性

3）IGBT的基本特性(包括靜態(tài)特性和動態(tài)特性)E2）輸出特性（伏安特性）

√UCE>0時,與晶體管類似，以柵射電壓UGE為參考，集電極電流IC與集射極間電壓UCE之間的關(guān)系。

√分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。與GTR有什么不同？(截、放、飽)

√當(dāng)UCE<0時，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)?！淘陔娏﹄娮与娐分?，IGBT工作在開關(guān)狀態(tài)，即在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。(b)IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性b)輸出特性

E

動態(tài)特性

?開通過程√開通延遲時間td(on)：(從UGE上升沿的10%到ICM10%）電流上升時間tr(ICM從10%上到90%）

開通時間ton=td(on)+tr

√在開通的同時，集射電壓UCE的下降，過程分為tfv1和tfv2兩段。

tfv2下降緩慢，只有此段結(jié)束后，IGBT才完全進入飽和狀態(tài)。?關(guān)斷過程

√關(guān)斷延遲時間td(off)

(從UGE下降沿的90%到ICM90%）電流下降時間tf

(ICM從90%下到10%）

√電流下降時間tf細(xì)分為tfi1(IGBT內(nèi)部的MOSFET關(guān)斷時間)和tfi2(IGBT內(nèi)部的PNP晶體管關(guān)斷時間)關(guān)斷時間toff=td(off)+tf

IGBT的開關(guān)過程◆IGBT的特性可以總結(jié)如下：

?IGBT開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。（資料表明，1000V以上時，IGBT的開關(guān)損耗只有GTR的1/10,與電力MOSFET相當(dāng)）

?在相同電壓和電流的情況下，IGBT的安全工作區(qū)比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。

?IGBT通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。

?IGBT輸入阻抗高，其輸入特性與電力MOSFET類似。?與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關(guān)頻率高的特點。

（3）擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)①擎住效應(yīng)由于IGBT復(fù)合器件內(nèi)有一個寄生晶閘管存在，當(dāng)IGBT集電極電流IC

大到一定程度,可使寄生晶閘管（半控器件）導(dǎo)通，從而柵極會失去對集電極電流的控制作用，這種電流失控現(xiàn)象就像普通晶閘管被觸發(fā)以后，即使撤銷觸發(fā)信號晶閘管仍然因進入正反饋過程而維持導(dǎo)通的機理一樣，因此被稱為擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)。IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)后，集電極電流過大，產(chǎn)生過高的功耗導(dǎo)致器件損壞。

說明：擎住效應(yīng)曾限制了IGBT電流容量的進一步提高，經(jīng)過多年的努力，此問題得到極大改善。②安全工作區(qū)

IGBT開通和關(guān)斷時,均具有較寬的安全工作區(qū)。IGBT開通時對應(yīng)的安全工作區(qū),稱為正向偏置安全工作區(qū)(FBSOA);IGBT關(guān)斷時對應(yīng)的安全工作區(qū)，稱為反向偏置安全工作區(qū)(RBSOA)。4、

其他新型電力電子器件（補充）1）

靜電感應(yīng)晶體管SIT2）

靜電感應(yīng)晶閘管SITH3）MOS控制晶閘管MCT4）集成門極換流晶閘管IGCT

1）

靜電感應(yīng)晶體管（SIT）■它是一種結(jié)型場效應(yīng)晶體管。它是在普通結(jié)型場效應(yīng)晶體管基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，有源、柵、漏三個電極，它的源柵電流受柵極上的外加垂直電場控制?！鍪且环N多子導(dǎo)電的器件，其工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)，甚至超過電力MOSFET，而功率容量也比電力MOSFET大，因而適用于高頻大功率場合?！鯯IT是一種電壓控制器件，它分N溝道和P溝道兩種，箭頭向外的為N-SIT，箭頭向內(nèi)的為P-SIT。注意：

與前面器件不同的是：SIT柵極不加任何信號時是導(dǎo)通的;柵極加負(fù)壓時關(guān)斷，稱為正常導(dǎo)通型器件，使用時不太方便。

此外，SIT通態(tài)電阻較大，使得通態(tài)損耗也大，因而SIT還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。2）

靜電感應(yīng)晶閘管SITH■它可以看作是SIT與GTO的復(fù)合。■又被稱為場控晶閘管（FCT），本質(zhì)上是兩種載流子導(dǎo)電的雙極型(比SIT多一種載流子)器件，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通態(tài)壓降低、通流能力強?！銎浜芏嗵匦耘cGTO類似，但開關(guān)速度比GTO高得多，是大容量的快速器件?！鲆话阋彩钦?dǎo)通型，但也有正常關(guān)斷型，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。

3）MOS控制晶閘管（MCT）■MCT（MOSControlledThyristor）是將MOSFET與晶閘管組合而成的復(fù)合型器件。

■MCT具有高電壓、大電流、低導(dǎo)通壓降的特點。■MCT的開關(guān)速度超過GTR，開關(guān)損耗也小。

它曾一度被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的電力電子器件，經(jīng)過十多年的努力，最終未能投入實際應(yīng)用。而其競爭對手IGBT卻進展飛速。4）

集成門極換流晶閘管IGCT■它是20世紀(jì)90年的后期出現(xiàn)的新型電力電子器件，IGCT將IGBT與GTO的優(yōu)點結(jié)合起來，其容量與普通GTO相當(dāng)，但開關(guān)速度比普通的GTO快10倍，而且可以簡化普通GTO應(yīng)用時龐大而復(fù)雜的緩沖電路，只不過其所需的驅(qū)動功率仍然很大。

它是一種比較理想的兆瓦級、中壓開關(guān)器件，適合用于6KV和10KV的中壓開關(guān)電路。此外，它的電流大、阻斷電壓高、開關(guān)頻率高、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、低導(dǎo)通損耗，且制造成本低、成品率高，有很好的應(yīng)用前景。■目前，IGCT正在與IGBT等新型器件激烈競爭，試圖最終取代GTO在大功率場合的位置。分類依據(jù)種類典型器件特征開關(guān)器件是否可控不可控器件二極管單向?qū)щ娦园肟仄骷胀ňчl管SCR晶閘管的陽極與陰極之間加上正向電壓，門極與陰極之間也加上正向電壓時，晶閘管導(dǎo)通。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極即失去控制作用，故晶閘管為半控型器件.全控器件GTO、BJT、功率MOSFET、IGBT通過控制信號既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷根據(jù)門極(柵極)驅(qū)動信號的不同電流控制器件SCR、GTO、BJT驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜，工作頻率低電壓控制器件MOSEET、IGBT驅(qū)動功率小，驅(qū)動電路簡單可靠，工作頻率高根據(jù)載流子參與導(dǎo)電情況不同單極型器件MOSFET、SIT開關(guān)時間短、輸入阻抗高、通態(tài)壓降高雙極型器件GTR、GTO、SITH通態(tài)壓降低、電流容量大復(fù)合型器件IGBT、MCT、IGCT電流密度高、導(dǎo)通壓降低、輸入阻抗高、響應(yīng)速度快表4-1電力電子器件的分類與特征器件參數(shù)GTOGTRIGBTMOSFET驅(qū)動信號電流電流電壓電壓驅(qū)動功率大大中小電流密度大較大中小通態(tài)壓降小小中大開關(guān)速度慢較慢中快表4-2常用電力電子器件參數(shù)比較1、普通晶閘管為全控型器件，可關(guān)斷晶閘管為半控制型器件。（

）2、比較而言，下列半導(dǎo)體器件中開關(guān)速度最慢的是()A.IGBTB.GTRC.MOSFETD.GTO3、要使絕緣柵雙極型晶體管導(dǎo)通，應(yīng)（

）。A.在柵射極加正電壓B、在柵射極加負(fù)電壓

C.在集電極加正電壓D、在集電極極加負(fù)電壓4、IGBT是

和

的復(fù)合管。5、比較而言，下列半導(dǎo)體器件中輸入阻抗最大的是()A.IGBTB.GTRC.MOSFETD.GTO6、請在正確的空格內(nèi)標(biāo)出下面元件簡稱的中文名稱GTR

；電力MOSFET

；IGBT

。7、普通晶閘管、電力晶體管、電力場效應(yīng)管、絕緣柵雙極型晶體管均屬于全控型電力電子器件。（

）8、電力電子器件是一種能夠承受高電壓、允許通過大電流的半導(dǎo)體器件。（

）9、比較而言，下列半導(dǎo)體器件中性能最好的是()。A.IGBTB.GTRC.MOSFETD.GTO10、當(dāng)晶閘管承受反向電壓時，不論門極加何種極性觸發(fā)電壓，都將工作在()A、關(guān)斷狀態(tài)B、導(dǎo)通狀態(tài)

C、飽和狀態(tài)D、不定考慮：在變流技術(shù)中，DC/DC是什么技術(shù)？任務(wù)二DC/DC變換電路DC/DC變換電路，又稱斬波電路，它是開關(guān)電源的核心技術(shù)，廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、無軌電車、地鐵電車、畜電池供電的機車車輛的無級變速及電動汽車的調(diào)速及控制。引言直流斬波電路（DCChopper）

是通過電力電子器件的開關(guān)作用，將一個恒定的直流電壓變換成另一個固定的或可調(diào)的直流電壓。

◆一般強調(diào)指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姡@種情況下輸入與輸出之間不隔離。

不包括直流-交流-直流（間接直流變流電路）?！魧崿F(xiàn)方式：它通過周期性的快速接通、斷開負(fù)載電路，從而將恒定直流電“斬”成一系列的脈沖電壓，改變這個脈沖電壓接通、關(guān)斷的時間比，就可方便調(diào)整輸出電壓的平均值。◆應(yīng)用：直流斬波電路具有效率高、體積小、質(zhì)量輕和成本低等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于采用直流電機調(diào)速的電力牽引上。交流可以通過變壓器變壓，而直流不能經(jīng)變壓器變壓,那如何變壓呢？40/441、降壓斬波電路（BuckChopper）降壓斬波電路的原理圖及波形a）電路圖b）電流連續(xù)時的波形

◆電路分析

1）此處使用了一個全控型器件V(IGBT)，若采用晶閘管，需設(shè)置使晶閘管關(guān)斷的輔助電路。

2）設(shè)置了續(xù)流二極管VD，在V關(guān)斷時給負(fù)載中電感電流提供通道。

3）典型用途：拖動直流電動機或帶蓄電池負(fù)載，此時負(fù)載中均會出現(xiàn)反電動勢，圖中用EM表示，若無反電動勢，只需EM=0。

◆工作原理

?t=0時驅(qū)動V導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓uo=E，負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升。

?

t=t1時控制V關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓uo近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降，完成一個周期T。為使負(fù)載電流連續(xù)且脈動小，通常串接較大電感L。這樣負(fù)載電流在整個周期基本相等。若L值較小，則在V關(guān)斷后，到t2時刻，負(fù)載電流已衰減到0，會出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。由波形可見，斷續(xù)時，u0=EM，負(fù)載電壓u0平均值會被抬高，一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。?電流連續(xù)時

√負(fù)載電壓的平均值為√負(fù)載電流平均值為式中，ton為V處于通態(tài)的時間，toff為V處于斷態(tài)的時間，T為開關(guān)周期，

為導(dǎo)通占空比，簡稱占空比或?qū)ū取?/p>

因

<1,故輸出電壓低于輸入電壓，即降壓了。(4-1)(4-2)◆基本的數(shù)量關(guān)系根據(jù)對輸出電壓平均值進行調(diào)制的方式不同，◆斬波電路有三種控制方式

?脈沖寬度調(diào)制（PWM）：T不變，調(diào)制開關(guān)改變ton。

?頻率調(diào)制：保持ton不變，改變T。

?混合型：ton和T都可調(diào)下面分段對降壓斬波電路進行解析按V處于通態(tài)和斷態(tài)兩個過程來分析?！粼赩處于通態(tài)期間，設(shè)負(fù)載電流為i1可得設(shè)此階段電流初值為I10，，解上式得◆在V處于斷態(tài)期間，設(shè)負(fù)載電流為i2可得設(shè)此階段電流初值為I20，解上式得(3-2)式中，，，，，I10和I20分別是負(fù)載電流瞬時值的最小值和最大值。把式（3-4）和式（3-5）用泰勒級數(shù)近似，可得當(dāng)L為無窮大時，負(fù)載電流最大值、最小值均等于平均值。(4-4)(4-5)(4-6)◆電流連續(xù)時，有由式（3-1）-（3-3）得(4-3)◆還可從能量傳遞關(guān)系簡單地推得，由于L為無窮大，故負(fù)載電流維持為I0不變。電源只在V處于通態(tài)時提供能量，從負(fù)載看，整個周期負(fù)載一直在消耗能量，消耗的能力為。一個周期中，忽略電路中的損耗，則電源提供的能量與負(fù)載消耗的能量相等，即則(4-7)與4-6結(jié)果相同當(dāng)L值較小，則可能出現(xiàn)負(fù)載電流斷續(xù)的情況。類似的，◆電流斷續(xù)時有I10=0，且在t=ton+tx時，i2=0，可以得出電流斷續(xù)時，tx<toff，由此得出電流斷續(xù)的條件為輸出電壓平均值為負(fù)載電流平均值為(4-10)4-11)對于電路的具體工況，可據(jù)式(3-11)判斷電流是否連續(xù)。斷續(xù)時，負(fù)載電流一降到0，續(xù)流二極管就關(guān)斷，負(fù)載兩端電壓等于EM.■例4-1在圖所示的降壓斬波電路中，已知E=200V，R=10Ω，L值極大，Em=30V，T=50μs，ton=20

s,計算輸出電壓平均值Uo，輸出電流平均值Io。

解：由于L值極大，故負(fù)載電流連續(xù)，于是輸出電壓平均值為

輸出電流平均值為

■例題：

在圖所示的降壓斬波電路中，E=100V，L=1mH，R=0.5Ω，Em=10V，采用脈寬調(diào)制控制方式，T=20

s，當(dāng)ton=5

s時，計算輸出電壓平均值Uo，輸出電流平均值Io，計算輸出電流的最大和最小值瞬時值并判斷負(fù)載電流是否連續(xù)。解：由題目已知條件可得：當(dāng)ton=5

s時，有由于所以輸出電流連續(xù)。此時輸出平均電壓為輸出平均電流為輸出電流的最大和最小值瞬時值分別為此式中，輸出電壓高于輸入電壓，故為升壓斬波電路。2、升壓斬波電路0uGE0ioI1a)b)升壓斬波電路及其工作波形a）電路圖b）波形

◆工作原理

?假設(shè)L和C值很大。

?V處于通態(tài)時，電源E向電感L充電，電流基本恒定為I1，電容C向負(fù)載R供電，因C值很大，基本保持輸出電壓為恒值Uo。

設(shè)通態(tài)時間為ton,此階段L上積蓄的能量為

。

?V處于斷態(tài)時，電源E和電感L同時向電容C充電，并向負(fù)載提供能量。

設(shè)斷態(tài)時間為toff，L釋放能量為?當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中電感L積蓄的能量與釋放的能量相等，即化簡得（4-11）?將升壓比的倒數(shù)記作β，即，則

和導(dǎo)通占空比

有如下關(guān)系式（4-11）可表示為可見，升壓斬波電路能使輸出電壓高于電源電壓，關(guān)鍵原因有兩個：一是L儲能之后具有使電壓泵升的作用（使電源和L儲的能量共同給負(fù)載供電，即使uo>E），二是電容C可將輸出電壓保持住。?如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量僅由負(fù)載R消耗，即?輸出電流的平均值Io為(4-12)T/toff表示升壓比，調(diào)節(jié)其大小，即可改變輸出電壓Uo的大小。(4-13)(4-14)■例

題：在圖4-2a所示的升壓斬波電路中，已知E=50V，L值和C值極大，R=20

，采用脈寬調(diào)制控制方式，當(dāng)T=40

s，ton=25

s時，計算輸出電壓平均值Uo，輸出電流平均值Io。解：輸出電壓平均值為：

輸出電流平均值為：3、升降壓斬波電路otb)oti1i2tontoffILILa)升降壓斬波電路及其波形a）電路圖b）波形

◆工作原理