電力電子與變頻技術(shù) 第2版 課件項(xiàng)目三PC主機(jī)開關(guān)電源電路

2024/12/31電力電子與變頻技術(shù)1項(xiàng)目三PC主機(jī)開關(guān)電源電路2024/12/31電力電子與變頻技術(shù)22024/12/31電力電子與變頻技術(shù)3任務(wù)一全控型電力電子器件的應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)：

1．認(rèn)識(shí)GTR、MOSFET和IGBT的外形結(jié)構(gòu)、端子和型號(hào)。2．會(huì)測(cè)試GTR、MOSFET和IGBT，會(huì)判別器件的端子和好壞。3．通過(guò)選擇器件，掌握器件的基本參數(shù)工作任務(wù)：1．認(rèn)識(shí)GTR、MOSFET和IGBT的外形結(jié)構(gòu)、端子和型號(hào)。2．用萬(wàn)用表及實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行器件的測(cè)試。3．器件的選用。相關(guān)知識(shí)：

1．大功率晶體管GTR

2024/12/31電力電子與變頻技術(shù)4在電力電子技術(shù)中，GTR主要工作在開關(guān)狀態(tài)。晶體管通常連接稱共發(fā)射極電路，NPN型GTR通常工作在正偏（

>0）時(shí)大電流導(dǎo)通；反偏（

<0）時(shí)處于截止的開關(guān)工作狀態(tài)。2024/12/31電力電子與變頻技術(shù)52)GTR的特性與主要參數(shù)與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的主要特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好通常采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成2024/12/31電力電子與變頻技術(shù)62）動(dòng)態(tài)特性GTR是用基極電流來(lái)控制集電極電流的，下圖給出了GTR開通和關(guān)斷過(guò)程中基極、集電極電流波形關(guān)系。延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr，二者之和為開通時(shí)間tonts是用來(lái)除去飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時(shí)間的主要部分關(guān)斷時(shí)需要經(jīng)過(guò)儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf，兩者之和為關(guān)斷時(shí)間toff。GTR的開關(guān)時(shí)間在幾微秒以內(nèi)。2024/12/31電力電子與變頻技術(shù)72）GTR的參數(shù)這里主要講述GTR的極限參數(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)。BUcbo：發(fā)射極開路時(shí)，集電極和基極間的反向擊穿電壓。BUceo：基極開路時(shí)，集電極和發(fā)射極之間的擊穿電壓。BUcer：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。BUces：當(dāng)R為0，即發(fā)射極和基極短路，用BUces表示其擊穿電壓。BUcex：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BUcbo>BUcex>BUces>BUcer>BUceo，實(shí)際使用時(shí)，為確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得多。2024/12/31電力電子與變頻技術(shù)8②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值的一半或稍多些通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/2~1/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ic實(shí)際使用時(shí)要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)。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。2024/12/31電力電子與變頻技術(shù)9.GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)一次擊穿集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿只要Ic不超過(guò)限度，GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不變

二次擊穿一次擊穿發(fā)生時(shí)Ic增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變2024/12/31電力電子與變頻技術(shù)10安全工作區(qū)以直流極限參數(shù)IcM、PcM、UceM構(gòu)成的工作區(qū)為一次擊穿工作區(qū)，如圖4－8所示。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(gè)不等功率曲線。以3DD8E晶體管測(cè)試數(shù)據(jù)為例，其PcM=100W，BUceo≥200V，但由于受到擊穿的限制，當(dāng)Uce=100V時(shí)，PSB為60W，Uce=200V時(shí)PSB僅為28W！所以，為了防止二次擊穿，要選用足夠大功率的管子，實(shí)際使用的最高電壓通常比管子的極限電壓低很多。2024/12/31電力電子與變頻技術(shù)11電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管有兩種類型，即結(jié)型和絕緣柵型，但通常指絕緣柵型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor），簡(jiǎn)稱電力MOSFET，或者簡(jiǎn)稱MOS管，如圖所示。至于結(jié)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱做靜電感應(yīng)晶體管（SIT），這里主要講電力MOSFET。2024/12/31電力電子與變頻技術(shù)12(1)電力MOSFET的結(jié)構(gòu)MOSFET種類和結(jié)構(gòu)繁多，按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。N溝道中多數(shù)載流子是電子，P溝道中多數(shù)載流子是空穴。其中每一類又可分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種，耗盡型就是當(dāng)柵源間電壓UGS=0時(shí)，漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道；增強(qiáng)型就是當(dāng)UGS>0（N溝道）或UGS<0（P溝道）時(shí)才存在導(dǎo)電溝道，電力MOSFET絕大多數(shù)是N溝道增強(qiáng)型。它的三個(gè)極分別是：柵極G、源極S、漏極D。2024/12/31電力電子與變頻技術(shù)13電力MOSFET在導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子（多子）參與導(dǎo)電，是單極型器件。其導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。小功率MOS管是一次擴(kuò)散形成的器件，其導(dǎo)電溝道平行于芯片表面，是橫向?qū)щ娖骷?。而目前電力MOSFET大都采用了垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，所以又稱為VMOSFET。這大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。(2)工作原理當(dāng)D、S間加正電壓（漏極為正，源極為負(fù)），UGS=0時(shí)，P基區(qū)和N漏區(qū)的PN結(jié)J1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。2024/12/31電力電子技術(shù)14(3)電力MOSFET的基本特性1）靜態(tài)特性ID和UGS的關(guān)系曲線反映了輸入電壓和輸出電流的關(guān)系，稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。MOSFET的漏極伏安特性，即輸出特性。從圖中可以看出，MOSFET有三個(gè)工作區(qū)：截止區(qū)：UGS≤UT，ID=0，這和電力晶體管的截止區(qū)相對(duì)應(yīng)。飽和區(qū)：UGS＞UT，UDS≥UGS-UT，當(dāng)UGS不變時(shí)，ID幾乎不隨UDS的增加而增加，近似為一常數(shù)，故稱飽和區(qū)。2024/12/31電力電子技術(shù)15非飽和區(qū)：UGS＞UT，UDS＜UGS-UT，漏源電壓UDS和漏極電流ID之比近似為常數(shù)。該區(qū)對(duì)應(yīng)于電力晶體管的飽和區(qū)。當(dāng)MOSFET作開關(guān)應(yīng)用而導(dǎo)通時(shí)即工作在該區(qū)。2）動(dòng)態(tài)特性2024/12/31電力電子技術(shù)16(4)電力MOSFET的主要參數(shù)除前面已涉及到的跨導(dǎo)

、開啟電壓

以及開關(guān)過(guò)程中的個(gè)時(shí)間參數(shù)外，電力MOSFET還有以下主要參數(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）漏極直流電流ID和最大允許電流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

>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿，使用中應(yīng)加以注意。(5)電力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。2024/12/31電力電子技術(shù)17(6)MOSFET的保護(hù)電路1）防止靜電擊穿電力MOSFET的最大優(yōu)點(diǎn)是具有極高的輸入阻抗，因此在靜電較強(qiáng)的場(chǎng)合難于泄放電荷，容易引起靜電擊穿。防止靜電擊穿應(yīng)注意以下事項(xiàng)。①在測(cè)試和接入電路之前器件應(yīng)存放在靜電包裝袋，導(dǎo)電材料或金屬容器中，不能放在塑料盒或塑料袋中。取用時(shí)應(yīng)拿管殼部分而不是引線部分。工作人員需通過(guò)腕帶良好接地。②將器件接入電路時(shí)，工作臺(tái)和烙鐵都必須良好接地，焊接時(shí)烙鐵應(yīng)斷電。③在測(cè)試器件時(shí)，測(cè)量?jī)x器和工作臺(tái)都必須良好接地。器件的三個(gè)電極未全部接入測(cè)試儀器或電路前不要施加電壓。改換測(cè)試范圍時(shí)，電壓和電流都必須先恢復(fù)到零。④注意柵極電壓不要過(guò)限。2024/12/31電力電子技術(shù)183.絕緣柵雙極晶體管IGBTIGBT的基本結(jié)構(gòu)2024/12/31電力電子技術(shù)19(2)IGBT的工作原理

IGBT的驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，是一種場(chǎng)控器件。其開通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓

決定的，當(dāng)

為正且大于開啟電壓

時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流進(jìn)而使IGBT導(dǎo)通。當(dāng)柵極與發(fā)射極之間加反向電壓或不加電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管無(wú)基極電流，IGBT關(guān)斷。(3)IGBT的基本特性1）靜態(tài)特性

2024/12/31電力電子技術(shù)202）動(dòng)態(tài)特性(4)IGBT的主要參數(shù)1）集電極—發(fā)射極額定電壓UCES：這個(gè)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(shí)IGBT能承受的耐壓值，即UCES值小于等于雪崩擊穿電壓。2）柵極—發(fā)射極額定電壓UGES：IGBT是電壓控制器件，靠加到柵極的電壓信號(hào)控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，而UGES就是柵極控制信號(hào)的電壓額定值。目前，IGBT的UGES值大部分為+20V，使用中不能超過(guò)該值。3）額定集電極電流IC：該參數(shù)給出了IGBT在導(dǎo)通時(shí)能流過(guò)管子的持續(xù)最大電流。2024/12/31電力電子技術(shù)21(5)IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)在IGBT內(nèi)部寄生著一個(gè)N-PN+晶體管和作為主開關(guān)器件的P+N-P晶體管組成的寄生晶閘管。其中NPN晶體管基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，P區(qū)的橫向空穴電流會(huì)在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對(duì)J3結(jié)施加一個(gè)正偏壓，在額定集電極電流范圍內(nèi)，這個(gè)偏壓很小，不足以使J3開通，然而一旦J3開通，柵極就會(huì)失去對(duì)集電極電流的控制作用，導(dǎo)致集電極電流增大，造成器件功耗過(guò)高而損壞。這種電流失控的現(xiàn)象，就像普通晶閘管被觸發(fā)以后，即使撤消觸發(fā)信號(hào)晶閘管仍然因進(jìn)入正反饋過(guò)程而維持導(dǎo)通的機(jī)理一樣，因此被稱為擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)。引發(fā)擎住效應(yīng)的原因，可能是集電極電流過(guò)大（靜態(tài)擎住效應(yīng)），也可能是最大允許電壓上升率duCE/dt過(guò)大（動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)），溫度升高也會(huì)加重發(fā)生擎住效應(yīng)的危險(xiǎn)。2024/12/31電力電子技術(shù)22任務(wù)二

DC/DC變換電路的工作原理分析一、學(xué)習(xí)目標(biāo)1．了解DC/DC變換電路的工作原理。2．掌握常用DC/DC變換電路。3．了解脈寬調(diào)制（PWM）控制技術(shù)及其應(yīng)用。二、工作任務(wù)1．能夠區(qū)分直流斬波器種類，會(huì)分析其工作原理。2．能夠簡(jiǎn)單分析脈寬調(diào)制（PWM）控制技術(shù)及其應(yīng)用。三、相關(guān)知識(shí)開關(guān)電源的核心技術(shù)就是DC/DC變換電路。DC/DC變換電路就是將直流電壓變換成另一固定電壓或可調(diào)的直流電，包括直接直流