第五章-电子节能灯及镇流器中所用开关器件优秀PPT.ppt
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1、第五章第五章 电子节能灯及镇流器的开关器件电子节能灯及镇流器的开关器件1.半导体二极管半导体二极管2.双极型功率晶体管双极型功率晶体管3.场效应功率场效应功率MOS管管4.绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管(IGBT)1.半导体二极管半导体二极管功率二极管的结构和图形符号功率二极管的伏安特性曲线二极管的引线随其平均电流的加大而加粗二极管的引线随其平均电流的加大而加粗,它本身具有确定的散热作用。它本身具有确定的散热作用。在大电流的工作条件下在大电流的工作条件下,安装在电路板上时安装在电路板上时,引出线要适当留长一些引出线要适当留长一些,或或将二极管紧贴到散热器上,以利于散热。当反向电压增加到确
2、定值后,将二极管紧贴到散热器上,以利于散热。当反向电压增加到确定值后,反向电流急剧增大,出现反向击穿现象反向电流急剧增大,出现反向击穿现象,这个电压叫做反向击穿电压这个电压叫做反向击穿电压VBR.管子被击穿后,便失去单向导电性管子被击穿后,便失去单向导电性,呈永久性损坏。选用二极管时,呈永久性损坏。选用二极管时,必需充分留意这个极限值,防止二极管工作时反向电压过高而损坏。必需充分留意这个极限值,防止二极管工作时反向电压过高而损坏。1.半导体二极管半导体二极管整流二极管的主要参数整流二极管的主要参数v正向平均电流正向平均电流I F(AV)功率二极管的正向平均电流I F(AV)是指在规定的管壳温度
3、和散热条件下允许通过的最大工频半波电流的平均值,元件标称的额定电流就是这个电流。实际应用中,功率二极管所流过的最大有效电流为I,则其额定电流一般选择为 v正向压降正向压降UF 正向压降UF是指在规定温度下,流过某一稳定正向电流时所对应的正向压降。v反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 反向重复峰值电压是功率二极管能重复施加的反向最高电压,通常是其雪崩击穿电压UB的2/3。一般在选用功率二极管时,以其在电路中可能承受的反向峰值电压的两倍来选择反向重复峰值电压。1.半导体二极管半导体二极管(一)(一)一般整流二极管一般整流二极管 电子镇流器全部接受桥式整流电路来实现电子镇流器全部接受桥式整流电
4、路来实现AC-DC转换。转换。桥式整流器中的桥式整流器中的4个二极管是一般半导体功率二极管。一个二极管是一般半导体功率二极管。一般整流二极管是含有一个半导体般整流二极管是含有一个半导体PN结的两端器件结的两端器件,其主要其主要特点是具有单向导电性,即正向偏置时导通,反向偏置时特点是具有单向导电性,即正向偏置时导通,反向偏置时截止。电子镇流器中桥式整流二极管的选用主要考虑正向截止。电子镇流器中桥式整流二极管的选用主要考虑正向电流和最高反向工作电压两个参数。一般整流二极管的主电流和最高反向工作电压两个参数。一般整流二极管的主要参数及封装形式如下表所示。要参数及封装形式如下表所示。1.半导体二极管半
5、导体二极管1.半导体二极管半导体二极管(二)快速复原二极管(二)快速复原二极管 当由正向偏置跃变为反向偏置时,二极管并不是当由正向偏置跃变为反向偏置时,二极管并不是马上截止,而是由正向电流变为很大的反向电流马上截止,而是由正向电流变为很大的反向电流IR,如图所示。,如图所示。IR从从t1维持到维持到t2后才渐渐减小,后才渐渐减小,到到t3时刻,降至反向饱和电流时刻,降至反向饱和电流IRS,二极管才真,二极管才真正进入反向截止状态,正进入反向截止状态,ts为存储时间,为存储时间,tf 为下降为下降时间,时间,trr(即即ts+tf)称为反向复原时间。称为反向复原时间。1.半导体二极管半导体二极管
6、1.半导体二极管半导体二极管v一般整流二极管的反向复原时间太长一般整流二极管的反向复原时间太长(达达0.5us以上以上),不,不能作为开关运用。为了缩短二极管的反向复原时间,接受能作为开关运用。为了缩短二极管的反向复原时间,接受特地的工艺在芯片上形成一些复合中心,使特地的工艺在芯片上形成一些复合中心,使PN结两边的结两边的存储电荷很快复合而消逝。这种反向复原时间较短的二极存储电荷很快复合而消逝。这种反向复原时间较短的二极管称为快速复原二极管。快速复原二极管的反向复原时间管称为快速复原二极管。快速复原二极管的反向复原时间最大值为最大值为500ns。反向复原时间特别短。反向复原时间特别短(如小于如
7、小于100ns)的二极管被称为超快速复原二极管。的二极管被称为超快速复原二极管。v在电子镇流器中,在电子镇流器中,PFC电路中升压二极管和功率双极型晶电路中升压二极管和功率双极型晶体管及功率体管及功率MOSFET的续流二极管必需运用快速复原二的续流二极管必需运用快速复原二极管。在极管。在PFC电路中,限制电路中,限制IC的协助电源电路的高频整的协助电源电路的高频整流二极管,除选用小信号高速开关二极管流二极管,除选用小信号高速开关二极管(如如1N4148)外,有时也选用快速复原二极管外,有时也选用快速复原二极管(如如1N4935、MUR115和和BYS11-90等等)。在半桥驱动器电路中,连。在
8、半桥驱动器电路中,连接于驱动器接于驱动器IC的引脚的引脚VCC与引脚与引脚VS(高端浮动电源回复高端浮动电源回复之间的自举二极管也应当选用快速复原二极管。之间的自举二极管也应当选用快速复原二极管。1.半导体二极管半导体二极管IR公司部分超快速复原二极管的主要参数及封装形式1.半导体二极管半导体二极管部分快速和超快速复原二极管的外形封装。部分快速和超快速复原二极管的外形封装。电子镇流器用快速和超快速复原二极管的电流容量大多不超过电子镇流器用快速和超快速复原二极管的电流容量大多不超过8A。在。在100W以下的电子镇流器中,比较常见的快速和超快复原二极管有以下的电子镇流器中,比较常见的快速和超快复原
9、二极管有1N4937(1A/600V,150ns)、)、BYV26C(1A/600V,25ns)、)、UF4005(1A/600V,75ns)、)、EGP20J(2A/600V,75ns)、)、EGP30J(3A/600V,75ns)、)、MUR856(3A/600V)、)、MUR860(8A/600V)及及MUR160/MUR460等。等。1.半导体二极管半导体二极管(三)小信号高速开关二极管(三)小信号高速开关二极管 在电子镇流器中,最常用的小信号高速开关二极管是在电子镇流器中,最常用的小信号高速开关二极管是1N4148(100mA/75V)。这种高速开关二极管在电。这种高速开关二极管在电
10、子镇流器中主要应用于子镇流器中主要应用于3个方面:一是在个方面:一是在PFC限制限制IC的协的协助电源中用于高速助电源中用于高速 整流;二是在功率开关晶体管和整流;二是在功率开关晶体管和MOSFET的驱动电路中作为加速元件运用,以改善功率的驱动电路中作为加速元件运用,以改善功率器件的开关特性;三是在半桥驱动与限制器件的开关特性;三是在半桥驱动与限制IC的的VCC电荷电荷泵或协助电源电路中应用。泵或协助电源电路中应用。在在MOSFET的栅极,负极连接驱动电路的输出端。在双的栅极,负极连接驱动电路的输出端。在双极型功率晶体管的基极驱动电路中,极型功率晶体管的基极驱动电路中,1N4148的正极通的正
11、极通常连接晶体管的放射极常连接晶体管的放射极,负极通过一个电阻(如负极通过一个电阻(如47欧欧)连)连接晶体管的基极。在高性能电子镇流器中,接晶体管的基极。在高性能电子镇流器中,1N4148的的用量较大。在灯故障检测电路中,也常接受用量较大。在灯故障检测电路中,也常接受1N4148作作为高频采样信号的整流器件,为高频采样信号的整流器件,1N4148通常接受通常接受DO-35玻璃封装,价格较低。玻璃封装,价格较低。1.半导体二极管半导体二极管(四)双向触发二极管(四)双向触发二极管 由分立元器件组成的电子镇流器中,双向触发二极管通常应用于自振荡由分立元器件组成的电子镇流器中,双向触发二极管通常应
12、用于自振荡启动电路中。双向触发二极管也称作双向开关二极管或两端沟通开关启动电路中。双向触发二极管也称作双向开关二极管或两端沟通开关(Diac)。为了降低成本,目前双向触发二极管大多接受。为了降低成本,目前双向触发二极管大多接受NPN型晶体型晶体管,如图管,如图4-4(b)所示,图)所示,图4-4(a)所示为双向触发二极管的图形符所示为双向触发二极管的图形符号,双向触发二极管大多接受号,双向触发二极管大多接受DO-35玻璃封装玻璃封装(管壳呈蓝色管壳呈蓝色)或或TO-92塑料封装塑料封装,外形如图外形如图4-5所示。双向触发二极管具有正向和反向对所示。双向触发二极管具有正向和反向对称的伏安称的伏
13、安(V-I)特性,如图特性,如图4-6所示。所示。当外加电压低于击穿电压当外加电压低于击穿电压(VBO)时,器件呈截止状态,在此状态下器件时,器件呈截止状态,在此状态下器件中有很小的漏电电流通过。一旦外加电压超过中有很小的漏电电流通过。一旦外加电压超过VBO值,器件则进入值,器件则进入负阻区,然后进入导通状态。双向触发二极管导通后,其导通电压降负阻区,然后进入导通状态。双向触发二极管导通后,其导通电压降随电流增大而略有增加,双向触发二极管导通态电压降随电流增大而略有增加,双向触发二极管导通态电压降VT,都是在,都是在规定电流规定电流IT下的测试值。假如通过器件的电流低于维持电流下的测试值。假如
14、通过器件的电流低于维持电流IH,器,器件将由导通跃变到阻断态。件将由导通跃变到阻断态。1.半导体二极管半导体二极管电子镇流器中双向触发二极管的损坏率是比较高的。在没有晶体管特性曲线示仪电子镇流器中双向触发二极管的损坏率是比较高的。在没有晶体管特性曲线示仪等特地测试仪的状况下,可利用万用表检测其好坏。将万用表置于等特地测试仪的状况下,可利用万用表检测其好坏。将万用表置于R1k或或R10k档测量其正向和反向电阻,器件完好时的正、反向电阻值趋于档测量其正向和反向电阻,器件完好时的正、反向电阻值趋于“无穷大无穷大”,表针不摇摆。表针不摇摆。1.半导体二极管半导体二极管v用于电子镇流器的双向触发二极管中
15、有代表性的产品是用于电子镇流器的双向触发二极管中有代表性的产品是DB3,该器件,该器件的击穿(转折)电压为的击穿(转折)电压为28-36V(典型值为典型值为32V).接受三层结构和平接受三层结构和平面工艺制作的器件(大多为面工艺制作的器件(大多为TO-92封装,)其导通态电压降封装,)其导通态电压降VT均比均比较大(较大(20-25V)。这种器件允许通过的峰值脉冲电流为)。这种器件允许通过的峰值脉冲电流为5mA,在,在应用中应附加一个足够大的限流电阻。应用中应附加一个足够大的限流电阻。v图图4-7所示的荧光电子镇流器电路运用了两个双向触发二极管(所示的荧光电子镇流器电路运用了两个双向触发二极管
16、(VD6和和VD8)。)。VD6(DB3)被用于由)被用于由R1、C2、VD5和和VD6组成的组成的启动电路中。在接通电源后,整流滤波后的电压通过启动电路中。在接通电源后,整流滤波后的电压通过R1对电容对电容C2充充电。当电。当C2上的电压超过上的电压超过VD6的击穿电压值后,的击穿电压值后,VD6导通,从而触发导通,从而触发半桥低侧开关半桥低侧开关VT2首先导通。借助于磁环变压器首先导通。借助于磁环变压器T1各绕组的耦合建各绕组的耦合建立起振荡。在立起振荡。在 VT2导通时,导通时,C2通过通过VD5和和VT2放电,使放电,使VD6由导由导通转换为截止。通转换为截止。T2的次级绕阻(的次级绕
17、阻(Ws)、)、VD9、R5、C6、VD8、VT3和和VD7组成故障检测与爱护电路。在常态下组成故障检测与爱护电路。在常态下VD8是截止的。一是截止的。一旦出现异样状态,旦出现异样状态,T2的次级绕阻的次级绕阻Ws会感应到一个突然上升的电压,会感应到一个突然上升的电压,双向触发二极管双向触发二极管VD8击穿导通,至使击穿导通,至使VT3导通,将导通,将VT2的栅极的电的栅极的电压拉低到其栅极开启门限电平以下,压拉低到其栅极开启门限电平以下,VT3截止,半桥停止振荡。只有截止,半桥停止振荡。只有异样状况解除后,振荡电路才能重新起先工作。异样状况解除后,振荡电路才能重新起先工作。1.半导体二极管半
18、导体二极管2.双极型三极管双极型三极管 双极型晶体管(双极型晶体管(BJTBJT)既可以作为开关运用,也可以用于放大。电子镇流器中运用的)既可以作为开关运用,也可以用于放大。电子镇流器中运用的双极型晶体管绝大多数作为开关运用。其中,功率晶体管在半桥电路中被用作开关,双极型晶体管绝大多数作为开关运用。其中,功率晶体管在半桥电路中被用作开关,并且几乎全部为并且几乎全部为NPNNPN型器件,小功率晶体管则在爱护电路中用作开关。型器件,小功率晶体管则在爱护电路中用作开关。双极型功率管的特点双极型功率管的特点:1 1、双极型晶体管是一种电流驱动器件,其基极驱动电路比较困难,而驱动条件的选择相对、双极型晶
19、体管是一种电流驱动器件,其基极驱动电路比较困难,而驱动条件的选择相对于功率于功率MOSFETMOSFET管来说比较困难。管来说比较困难。2 2、双极型晶体管中少数载流子的存储时间、双极型晶体管中少数载流子的存储时间tsts在开关时间(延迟时间在开关时间(延迟时间tdtd、上升时间、上升时间tftf、在存、在存储时间储时间tsts)和下降时间)和下降时间tf)tf)中占主导地位,成为确定晶体管开关速度的主要因素。中占主导地位,成为确定晶体管开关速度的主要因素。电子镇流器用晶体管的工作频率一般不应超过电子镇流器用晶体管的工作频率一般不应超过55kHz55kHz。3 3、双极型晶体管存在二次击穿(即
20、负阻击穿)等固有缺陷,其平安工作区(、双极型晶体管存在二次击穿(即负阻击穿)等固有缺陷,其平安工作区(SOASOA)受到限)受到限制。制。4 4、双极型晶体管的饱和电压降、双极型晶体管的饱和电压降VCEVCE(satsat)低,导通态功率损耗小。)低,导通态功率损耗小。5 5、价格低于同等功率的、价格低于同等功率的MOSFETMOSFET管。管。双极型功率晶体管正是由于具有价格低和饱和电压低的特点,在电子镇流器中并没双极型功率晶体管正是由于具有价格低和饱和电压低的特点,在电子镇流器中并没有被有被MOSFETMOSFET管所替代。我国生产的电子节能灯大多接受双极型功率晶体管。日本生管所替代。我国
21、生产的电子节能灯大多接受双极型功率晶体管。日本生产的电子镇流器选用双极型晶体管作为开关的状况也较普遍,而欧洲生产的电子镇产的电子镇流器选用双极型晶体管作为开关的状况也较普遍,而欧洲生产的电子镇流器则较多的选用功率流器则较多的选用功率MOSFETMOSFET管。管。2.双极型三极管双极型三极管双极型三极管(晶体管)的开关特性 双极型晶体管是电流型限制器件,作为开关元件,不仅具有开关作用,也具有放大作用。晶体管的三个工作区域2.双极型三极管双极型三极管2.双极型三极管双极型三极管2.双极型三极管双极型三极管 晶体管的开关时间 2.双极型三极管双极型三极管1、晶体管的基极驱动电路 2.双极型三极管双
22、极型三极管 晶体管常见的几种加速驱动电路 2.双极型三极管双极型三极管 在图(在图(a)所示的开关驱动电路中,并联于)所示的开关驱动电路中,并联于RB两端的两端的CB称为加速电容,数值一般为称为加速电容,数值一般为1000-3300pF。当。当Nb上端上端产生一个正的驱动电压时,产生一个正的驱动电压时,CB两端电压不能突变,犹如两端电压不能突变,犹如短路一样,可以为短路一样,可以为VT1供应很大的正向基极电流,使供应很大的正向基极电流,使VT1马上导通。之后马上导通。之后CB被充电至激励电压的峰值而进入被充电至激励电压的峰值而进入稳态。当晶体管的驱动电压跃变为稳态。当晶体管的驱动电压跃变为0时
23、,时,CB两端的存储电两端的存储电压马上加到压马上加到VT1的放射结上,可以形成很大的反向基极抽的放射结上,可以形成很大的反向基极抽取电流和反向电流,使取电流和反向电流,使VT1快速关闭并进入稳态。由此可快速关闭并进入稳态。由此可见,见,CB在不影响稳态的状况下,可以瞬间供应很大的基在不影响稳态的状况下,可以瞬间供应很大的基极正向电流和反向电流,既加速导通,又加速关断,促进极正向电流和反向电流,既加速导通,又加速关断,促进了了VT1饱和与截止之间的变更。饱和与截止之间的变更。2.双极型三极管双极型三极管 在图(b)所示的开关管基极驱动电路中,高速开关二极管(IN4148)与电阻R1的作用是当晶
24、体管VT1截止时,为反向基极电流供应一个低阻抗的通路。图(c)所示的电路中,并联于功率开关晶体管VT1基极电阻R8两端的高速开关二极管VD1的作用是当VT1截止时,吸取反向基极电流,通过对基极和放射极间的电容放电,达到削减储存时间的目的。2.双极型三极管双极型三极管2、双极型功率晶体管的爱护电路、双极型功率晶体管的爱护电路用作开关的双极型功率晶体管在高速运行中,受到电应力的冲击。这种电应力,用作开关的双极型功率晶体管在高速运行中,受到电应力的冲击。这种电应力,是由工作于开关状态的晶体管中的电流变更量是由工作于开关状态的晶体管中的电流变更量di/dt和施加在晶体管上的和施加在晶体管上的电压变更率
25、电压变更率dv/dt而产生的瞬态过电流和瞬态过电压所引起。电应力的本而产生的瞬态过电流和瞬态过电压所引起。电应力的本质是瞬时功耗(能量)的集中。电压和电流过冲形成的质是瞬时功耗(能量)的集中。电压和电流过冲形成的“尖峰尖峰”、“毛刺毛刺”,一旦超出器件的平安工作区,尤其是在较高温度下,极易毁坏晶体管。,一旦超出器件的平安工作区,尤其是在较高温度下,极易毁坏晶体管。晶体管在整个开关周期内,最危急的状况是出现在晶体管关断时。尤其是晶体管在整个开关周期内,最危急的状况是出现在晶体管关断时。尤其是晶体管在电感性负载状况下,当晶体管截止时,会产生特别高的尖峰电压。晶体管在电感性负载状况下,当晶体管截止时
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