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MOSFET 和 IGBT，可以到几百千赫；而采用了谐振技术的开关电源，则可以达到兆赫以
2、上。2 通态压降（正向压降）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
3、一般的工业自动化场合，功率电子器件已越来越多地使用 MOSFET 和IGBT，特别是 IGBT 获得了更多的使用，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：1二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 0.8-1.2V，适合小功率，12V 左右电源。2，高效超快速二极管。0.8-1.2V，适合小功率，12V 左右电源。3，肖特基势垒整流二极管 SBD。0.4V，适合 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
4、快，通态压降低。目前 SBD 的研究前沿，已经超过 1 万伏。二大功率晶体管 GTR分为：单管形式。电流系数：10-30。双管形式达林顿管。电流倍数：100-1000。饱和压降大，速度慢。下图虚线部分即是达林顿管。图 1-1：达林顿管应用实际比较常用的是达林顿模块，它把 GTR、续流二极管、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 1-2 是这种器件的内部典型结构。图 1-2：达林顿模块电路典型结构2两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/2KHz、60
5、0V/3A/100KHz 左右（参考）。三 可控硅 SCR可控硅在大电流、高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 12KV/8000A 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 GTO。制造水平达到 8KV/8KA，频率为 1KHz 左右。无论是 SCR 还是 GTO，控制电路都过于复杂，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 IGCT 和 MOS 关断晶闸管之类的器件在控制门极前使用了 MOS 栅，从而达到硬关断能力。四 功率 MOSFET又叫功率场效应管或者功
6、率场控晶体管。其特点是驱动功率小，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/2MHz、500V/50A/100KHz。是目前速度最快的功率器件。五 IGBT又叫绝缘栅双极型晶体管。这种器件的特点是集 MOSFET 与 GTR 的优点于一身。输入阻抗高，速度快，热稳定性好。通态电压低，耐压高，电流大。目前这种器件的两个方向：一是朝大功率，二是朝高速度发展。大功率 IGBT 模块达到 1200-1800A/1800-3
7、300V 的水平（参考）。速度在中等电压区域（370-600V），可达到 150-180KHz。它的电流密度比 MOSFET 大，芯片面积只有 MOSFET 的 40%。但速度比 MOSFET 低。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MOSFET 和 IGBT，特别是 IGBT 已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。3第三节：功率场效应管 MOSFET功率场效应管又叫功率场控晶体管。一原理：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 MOS 管，即 MOSFET（Meta
8、l Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。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 1-3：MOSFET 的图形符号MOS 器件的电极分别为栅极 G、漏极 D、源极 S。和普通 MOS 管一样，它也有：耗尽型：栅极电压为零时，即存在导电沟道。无论 VGS正负都起控制作用。增强型：需要正偏置栅极电压，才生成导电沟道。达到饱和前，VGS正偏越大，I DS越大。一般使用的功率 MOSFET 多数是 N 沟道增强型。而且不同于一般小功率 MOS 管的横向导电结构，使用了垂直导电结构，从而提高了耐压、电流能力，因此又叫 VM
9、OSFET。二特点：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 KHz，使用谐振技术可以达到兆级。三参数与器件特性：4无载流子注入，速度取决于器件的电容充放电时间，与工作温度关系不大，故热稳定性好。（1） 转移特性：ID随 UGS变化的曲线，成为转移特性。从下图可以看到，随着UGS的上升，跨导将越来越高。图 1-4：MOSFET 的转移特性（2） 输出特
10、性（漏极特性）：输出特性反应了漏极电流随 VDS变化的规律。这个特性和 VGS又有关联。下图反映了这种规律。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 GTR 有区别。图 1-5：MOSFET 的输出特性VGS=0 时的饱和电流称为饱和漏电流 IDSS。（3）通态电阻 Ron：通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 VGS增加，通态电阻减小。（4）跨导：IDUGSIDIDVDSVGS5MOSFET 的增益特性称为跨导。定义为：Gfs=I D/V GS显然，这个数值越大越好，它反映了管子的栅极控制能力。（5）栅极阈值电
11、压栅极阈值电压 VGS是指开始有规定的漏极电流（1mA）时的最低栅极电压。它具有负温度系数，结温每增加 45 度，阈值电压下降10%。（6）电容MOSFET 的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 1-6：栅极电荷特性（8）正向偏置安全工作区及主要参数MOS
12、FET 和双极型晶体管一样，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 IDM：这个参数反应了器件的电流驱动能力。最大漏源极电压 VDSM：它由器件的反向击穿电压决定。最大漏极功耗 PDM：它由管子允许的温升决定。漏源通态电阻 Ron：这是 MOSFET 必须考虑的一个参数，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。VGSQG6图 1-7：正向偏置安全工作区第四节：绝缘栅双极晶体管 IGBT又叫绝缘栅双极型晶体管。一原理：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 1-8：IG
13、BT 的图形符号注意，它的三个电极分别为门极 G、集电极 C、发射极 E。图 1-9：IGBT 的等效电路图。G GCECEIDVDSVDSMIDMPCMRON7上面给出了该器件的等效电路图。实际上，它相当于把 MOS 管和达林顿晶体管做到了一起。因而同时具备了 MOS 管、GTR 的优点。二特点：这种器件的特点是集 MOSFET 与 GTR 的优点于一身。输入阻抗高，速度快，热稳定性好。通态电压低，耐压高，电流大。它的电流密度比 MOSFET 大，芯片面积只有 MOSFET 的 40%。但速度比 MOSFET 略低。大功率 IGBT 模块达到 1200-1800A/1800-3300V 的水
14、平（参考）。速度在中等电压区域（370-600V），可达到 150-180KHz。三参数与特性：（1）转移特性图 1-10：IGBT 的转移特性这个特性和 MOSFET 极其类似，反映了管子的控制能力。（2）输出特性图 1-11：IGBT 的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。ICUGEVCEVGEICID8爬坡区：饱和区，随着负载电流 Ic 变化，U CE基本不变，即所谓饱和状态。水平段：有源区。（3）通态电压 Von：图 1-12：IGBT 通态电压和 MOSFET 比较所谓通态电压，是指 IGBT 进入导通状态的管压降 VDS，这个电压随 VGS上升而下降。
15、由上图可以看到，IGBT 通态电压在电流比较大时，Von 要小于MOSFET。MOSFET 的 Von 为正温度系数，IGBT 小电流为负温度系数，大电流范围内为正温度系数。（4）开关损耗：常温下，IGBT 和 MOSFET 的关断损耗差不多。MOSFET 开关损耗与温度关系不大，但 IGBT 每增加 100 度，损耗增加 2 倍。开通损耗 IGBT 平均比 MOSFET 略小，而且二者都对温度比较敏感，且呈正温度系数。两种器件的开关损耗和电流相关，电流越大，损耗越高。（5）安全工作区与主要参数 ICM、U CEM、P CM：IGBT 的安全工作区是由电流 ICM、电压 UCEM、功耗 PCM
16、包围的区域。IVONIGBTMOSFETICUCE安全工作区ICMUCEM9图 1-13：IGBT 的功耗特性最大集射极间电压 UCEM：取决于反向击穿电压的大小。最大集电极功耗 PCM：取决于允许结温。最大集电极电流 ICM：则受元件擎住效应限制。所谓擎住效应问题：由于 IGBT 存在一个寄生的晶体管，当 IC大到一定程度，寄生晶体管导通，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IGBT 特性主要受栅极偏置控制，而且受浪涌电压影响。其di/dt 明显和栅极偏置电压、电阻 Rg 相关，电压越高，di/dt 越大，
17、电阻越大，di/dt 越小。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。第二部分：开关电源基础第一节：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、控制电路、输出电路四个主体组成。如果细致划分，它包括：输入滤波、输入整流、开关电路、采样、基准电源、比较放大、震荡器、V/F 转换、基极驱动、输出整流、输出滤波电路等。实际的开关电源还要有保护电路、功率因素校正电路、同步整流驱动电路及其它一些辅助电路等。下面是一个典型的开关电源原理框图，掌握它对我们理解开关电源有重要意义。采样电路比较放大基准电源V/F 转换震荡器基极驱动开关器件 变压器 整流滤波保护电路功率因素校正滤波整流浪涌抑制输入电路 变换电路 输出电路控制电路
