项目5开关电源的设计与调试.pptx

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1、单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-201项目5开关电源的设计与调试单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-202由高压直流到低压多路直流的电路称直流斩波（又称DC/DC变换）电路，是开关电源的核心技术。开关电源是一种高效率、高可靠性、小型化、轻型化的稳压电源，广泛应用于生活、生产、军事等各个领域。各种计算机设备、彩色电视机等家用电器等大量采用了开关电源。项目导入单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-2031 通过对开关管、DC/DC变换电路的分

2、析，能够理解开关电源的工作原理；2 掌握开关器件、DC/DC变换电路的原理和开关电源的设计，及其在其他方面的应用。学习目标单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-204任务1开关电源的设计单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-205开关器件是DC/DC变换电路中的核心器件。开关器件有许多，经常使用的是MOSFET和IGBT，在小功率开关电源上也使用GTR。任务1开关电源的设计单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-206通过完成本任务，使学生掌握DC

3、/DC变换电路中的核心器件。任务解析单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-207一常用的典型开关器件常用的典型开关器件二开关电源开关电源知识链接单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-2081.门极可关断晶闸管(GTO)门极可关断晶闸管GTO，具有普通晶闸管的全部特性，如耐压高（工作电压可高6000V）、电流大（6000A）、价格便宜点。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-2091.门极可关断晶闸管(GTO)在它的内部有电子

4、和空穴两图种载流子参与导电，所以它属于全控型双极型器件。当在GTO的门极加正脉冲信号（阳极高电位，门极低电位）时，触发导通；加门极负脉冲信号（阳极低电位，门极高电位）时，触发关断。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20101.门极可关断晶闸管(GTO)它的电气符号如图5-1所示。它有阳极A、阴极K和门极G三个电极。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20111.门极可关断晶闸管(GTO)由于门极可关断，关断期间功耗较大。GTO导通后的管压降比较大

5、，一般为2-3V。另外，由于导通压降较大，门极触发电流较大，所以GTO的导通功耗与门极功耗均较普通晶闸管大。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20121.门极可关断晶闸管(GTO)尽管采用高幅值的窄脉冲可以减少关断所需的能量，但还是要采用专门的触发驱动电路。用门极正脉冲可使GTO开通，门极负脉冲可以使其关断，这是GTO最大的优点。但使GTO关断的门极反向电流比较大，约为阳极电流的1/5。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20131.门极可关断晶

6、闸管(GTO)图5-2(a)所示为小容量GTO门极驱动电路，属电容储能电路。l图5-2(a)所示为小容量GTO门极驱动电路，属电容储能电路。l工作原理是利用正向门极电流向电容充电触发GTO导通；当关断时，电容储能释放形成门极关断电流。图中Ec是电路的工作电源，U1为控制电压。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20141.门极可关断晶闸管(GTO)图5-2(a)所示为小容量GTO门极驱动电路，属电容储能电路。l当U1=0时，复和管V1、V2饱和导通，V3、V4截止，电源Ec对电容C充电形成正向门极电流，触发GTO导通；当

7、U10时，复和管V3、V4饱和导通，电容C沿VD1、V4放电，形成门极反向电流，使GTO关断，放电电流在VD1上的压降保证了V1、V2截止。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20151.门极可关断晶闸管(GTO)图5-2(b)所示是一种桥式驱动电路。l当在晶体管V1、V3的基极加控制电压使它们饱和导通时，GTO触发导通；当在普通晶闸管VS2、VS4的门极加控制电压使其导通时，GTO关断。l考虑到关断时门极电流较大，所以用普通晶闸管。l晶体管组和晶闸管组是不能同时导通的。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击

8、此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20161.门极可关断晶闸管(GTO)图5-2(b)所示是一种桥式驱动电路。l图5-2(b)中电感L的作用是在晶闸管阳极电流下降期间，释放所存储的能量，以保证GTO的门极关断电流，提高关断能力。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20171.门极可关断晶闸管(GTO)以上所述的两种触发电路都只能用于300A以下的GTO的导通，对于300A以上的GTO可用图5-2(c)所示的触发电路来控制。l当V1、VD导通时，GTO导通；当V2、VS导通时，GTO关断。l由于控

9、制电路与主电路之间用了变压器进行隔离，GTO导通、关断时的电流不影响控制电路，所以提高了电路的容量。实现了用较小电压对大电流电路的控制。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20181.门极可关断晶闸管(GTO)uGTO主要用于高电压、大功率的直流变换电路即斩波电路、逆变器电路中，例如恒压恒频电源即CVCF、常用的不停电电源(UPS)等，此外还有调频调压电源即VVVF，较多用于风机、水泵、轧机、牵引等交流变频调速系统中。u其方式以微型计算机控制和以脉宽调制(PWM)控制方式发展最快。u此外，由于耐压高、电流大、开关速度快、

10、控制电路简单方便等特点，GTO还特别适用于汽油机点火系统。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20192.大功率晶体管GTR（1）基本结构通常把集电极最大允许耗散功率在1W以上，或最大集电极电流在1A以上的晶体管称为大功率晶体管(GTR)，其结构和工作原理都和小功率晶体管非常相似。由三层半导体、两个PN结组成，有PNP和NPN两种结构，其电流由两种载流子（电子和空穴）的运动形成，所以称为双极型晶体管。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20202.

11、大功率晶体管GTR（1）基本结构图5-3（a）是NPN型功率晶体管的内部结构，图形符号如图5-3（b）所示。（a）GTR的结构 （b）图形符号（c）内部载流子的流动一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20212.大功率晶体管GTR（1）基本结构大多数GTR是三重扩散法制成的，或者是在集电极高掺杂的N+硅衬底上用外延生长法生长一层N漂移层，然后在上面扩散P基区，接着扩散掺杂的N+发射区。”“一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20222.大功率晶体管

12、GTR（1）基本结构大功率晶体管通常采用共发射极接法，图5-3（c）给出了共发射极接法时的功率晶体管内部主要载流子流动示图。1为从基极注入的越过正向偏置发射结的空穴2为与电子复合的空穴3为因热骚动产生的载流子构成的集电结漏电流4为越过集电极电流的电子5为发射极电子流在基极中因复合而失去的电子一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20232.大功率晶体管GTR（1）基本结构一些常见大功率晶体管的外形如图5-4所示。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-2

13、0242.大功率晶体管GTR（1）基本结构从图可见，大功率晶体管的外形除体积比较大外，其外壳上都有安装孔或安装螺钉，便于将晶体管安装在外加的散热器上。因为对大功率晶体管来讲，单靠外壳散热是远远不够的。例如，50W的硅低频大功率晶体管，如果不加散热器工作，其最大允许耗散功率仅为23w。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20252.大功率晶体管GTR（1）基本结构国产晶体管的型号及命名通常由以下四部分组成：用3表示晶体管的电极数目。1用A、B、C、D字母表示晶体管的材料和极性。其中A表示晶体管为PNP型锗管，B表示晶体管为

14、NPN型锗管，C表示晶体管为PNP型硅管，D表示晶体管为NPN型硅管。2一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20262.大功率晶体管GTR（1）基本结构国产晶体管的型号及命名通常由以下四部分组成：用字母表示晶体管的类型。X表示低频小功率管，G表示高频小功率管，D表示低频大功率管，A表示高频大功率管。3用数字和字母表示晶体管的序号和挡级，用于区别同类晶体管器件的某项参数的不同。4例如：3AD30V-PNP低频大功率锗晶体管一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017

15、-03-20272.大功率晶体管GTR(2)工作原理GTR主要工作在开关状态；晶体管通常连接成共发射极电路，NPN型GTR通常工作在正偏(Ib0)时大电流导通；反偏(Ib0)时处于截止高电压状态。因此，给GTR的基极施加幅度足够大的脉冲驱动信号，它将工作于导通和截止的开关工作状态。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20282.大功率晶体管GTR(2)工作原理静态特性1共发射极接法时，GTR的典型输出特性如图5-5，可分为三个工作区l在截止区内，Ib0,Ube0,Ubc0，集电极只有漏电流流过。一、常用的典型开关器件单击

16、此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20292.大功率晶体管GTR(2)工作原理静态特性1共发射极接法时，GTR的典型输出特性如图5-5，可分为三个工作区l在截止区内，Ib0,Ube0,Ubc0，集电极只有漏电流流过。两个PN结都为正向偏置是饱和的特征，饱和时集电极、发射极间的管压降Uces很小，相当于开关接通。这时尽管电流很大，但损耗并不大。GTR刚进入饱和时为临界饱和，若Ib继续增加，则为过饱和。用做开关时，应工作在深度饱和状态，这有利于降低Uces和减小导通时的损耗。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二

17、级第三级第四级第五级2017-03-20302.大功率晶体管GTR(2)工作原理GTR的参数2GTR上所施加的电压超过规定值时，就会发生击穿。最高工作电压击穿电压不仅和本身特性有关，还与外电路接法有关。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20312.大功率晶体管GTR(2)工作原理GTR的参数2BUBUcbocboBUBUceoceo基极开路时，集电极和发射极之间的击穿电压。发射极开路时，集电极和基极间的反向击穿电压。(B表示极限的意思)。BUBUceoceo实际电路中，GTR的发射极和基极之间常接有电阻器R，这时用BU

18、ceo表示集电极和发射极之间的击穿电压。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20322.大功率晶体管GTR(2)工作原理GTR的参数2BUBUcescesBUBUcexcex发射结反向偏置时，集电极和发射极之间的击穿电压。其中BUcboBUcexBUcexBUcerBUceo，实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多。当R为0，即发射极和基极短路，用BUces表示其击穿电压。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20332.大功率晶体

19、管GTR(2)工作原理GTR的参数2GTR流过的电流过大，会使GTR参数劣化，性能将变得不稳定，尤其是发射极的集边效应可能导致GTR损坏。集电极最大允许电流IcMl因此，必须规定集电极最大允许电流值。l通常规定共发射极电流放大系数下降到规定值的1/3 1/2时，所对应的电流Ic为集电极最大允许电流，以IcM表示。l实际使用时还要留有较大的安全裕量，一般只能用到IcM值的一半或稍多些。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20342.大功率晶体管GTR(2)工作原理集电极最大耗散功率PcM3集电极最大耗散功率是在最高工作温度

20、下允许的耗散功率用PcM表示，它是GTR容量的重要标志。晶体管功耗的大小主要由集电极工作电压和工作电流的乘积来决定，它将转化为热能使晶体管升温，晶体管会因温度过高而损坏。实际使用时，集电极允许耗散功率和散热条件与工作环境温度有关。所以在使用中应特别注意，Ic不能过大，散热条件要好。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20352.大功率晶体管GTR(2)工作原理最高工作结温TJM4GTR正常工作允许的最高结温，以TJM表示。GTR结温过高时，会导致热击穿而烧坏。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版

21、文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20362.大功率晶体管GTR（3）GTR的二次击穿和安全工作区二次击穿问题1实践表明，GTR即使工作在最大耗散功率范围内，仍有可能突然损坏，一般是由二次击穿引起的。二次击穿是影响GTR安全可靠工作的一个重要因素。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20372.大功率晶体管GTR（3）GTR的二次击穿和安全工作区二次击穿问题11 1二次击穿是由于集电极电压升高到一定值（未达到极限值）时，发生雪崩效应造成的。2 2照理，只要功耗不超过极限，晶体管是可必承受的，但是在实际使用中

22、，出现负阻效应，Ic进一步剧增。3 3由于晶体管结面的缺陷、结构参数的不均匀，使局部电流密度剧增，形成恶性循环，使晶体管损坏。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20382.大功率晶体管GTR（3）GTR的二次击穿和安全工作区二次击穿问题1防止二次击穿的办法有B必须有电压电流缓冲保护措施。A应使实际使用的工作电压比反向击穿电压低得多；一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20392.大功率晶体管GTR（3）GTR的二次击穿和安全工作区安全工作区2以直

23、流极限参数IcM、PcM、UceM构成的工作区为一次击穿工作区，如图5-6所示。图5-6GTR安全工作区一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20402.大功率晶体管GTR（3）GTR的二次击穿和安全工作区安全工作区2以3DD8E晶体管测试数据为例，其PcM=100W，BUceo200v，但由于受到击穿的限，当Uce=100v时，PSB为60W,Uce=200v时PSB仅为28W。以USB（二次击穿电压）与ISB（二次击穿电流）组成的PSB（二次击穿功率）如图中虚线所示，它是一个不等功率曲线。所以要选用足够大功率的晶体管，

24、实际使用的最高电压通常比晶体管的极限电压低得多。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20412.大功率晶体管GTR（3）GTR的二次击穿和安全工作区安全工作区2安全工作区是在一定的温度条件下得出的，例如，安全工作区是在一定的温度条件下得出的，例如，环境温度环境温度2525或壳温或壳温7575等，使用时若超过上述指定温等，使用时若超过上述指定温度值，允许功耗和二次击穿耐量都必须降低。度值，允许功耗和二次击穿耐量都必须降低。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017

25、-03-20423.电力MOSFET电力MOSFET与GTR相比，具有开关速度快、损耗低、驱动电流小、无二次击穿现象等优点。它的缺点是电压不能太高，电流容量也不能太大，所以目前只适用于小功率电力电子变流装置。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20433.电力MOSFET（1）结构功率场效应晶体管是压控型器件，其门极控制信号是电压。它的三个极分别是栅极G、源极S、漏极D。功率场效应晶体管有N沟道和P沟道两种。N沟道中载流子是电子，P沟道中载流子是空穴，都是多数载流子。其中每一类又可分为增强型和耗尽型两种。一、常用的典型开

26、关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20443.电力MOSFET（1）结构耗尽型就是当栅源间电压UGS=0时存在导电沟道，漏极电流ID0；增强型就是当UGS=0时没有导电沟道，ID=0，只有当UGS0（N沟道）或UGS0（P沟道）时才开始有ID。电力MOSFET管绝大多数是N沟道增强型，这是因为电子作用比空穴大得多。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20453.电力MOSFET（1）结构N沟道和P沟道MOSFET的电气图形符号如图5-7所示。（a）功率MOSFE

27、T的结构（b）电气图形符号一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20463.电力MOSFET（1）结构大功率场效应晶体管与小功率场效应晶体管原理基本相同，但是为了提高电流容量和耐压能力，在芯片结构上有很大不同：电力场效应晶体管采用小单元集成结构来提高电流容量和耐压能力，并且采用垂直导电排列来提高耐压能力。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20473.电力MOSFET（2）工作原理如果在G、S之间加一正电压UGS，由于栅极是绝缘的，所以不会有电流流过

28、，但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的P区表面。当D、S加正电压（漏极为正，源极为负），UGS=0，P体区和N漏区的PN结反偏，D、S之间无电流通过；一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20483.电力MOSFET（2）工作原理当UGS大于某一电压UT时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，从而使p型半导体反型成N型半导体而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结消失，漏极和源极导电。电压UT称为开启电压或阀值电压，UGS超过UT越多，导电能力越强，漏极电流越大。一、常

29、用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20493.电力MOSFET（3）电力MOSFET的特性与参数转移特性1（a）转移特性MOSFET是电压控制型器件，其输入阻抗极高，输入电流非常小。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20503.电力MOSFET（3）电力MOSFET的特性与参数输出特性2图5-8（b）是MOSFET的漏极伏安特性，即输出特性。从图中可以看出，MOSFET有三个工作区：（b）输出特性lUGSUT，ID=0，这和电力晶体管的截止区相对应。

30、lUGSUT，UGSUGS-UT，当UGS不变时，ID几乎不随UDS的增加而增加，近似为一个常数，故称饱和区。这里的饱和区并不和电力晶体管的饱和区对应，而对应于后者的放大区。当用做线性放大时，MOSFET工作在该区。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20513.电力MOSFET（3）电力MOSFET的特性与参数输出特性2图5-8（b）是MOSFET的漏极伏安特性，即输出特性。从图中可以看出，MOSFET有三个工作区：（b）输出特性lUGSUT，UDSUGS-UT，漏源电压UDS和漏极电流ID之比近似为常数。该区对应于电

31、力晶体管的饱和区。当MOSFET做开关应用而导通时即工作在该区。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20523.电力MOSFET（3）电力MOSFET的特性与参数输出特性2u在制造电力MOSFET时，为提高跨导并减少导通电阻，在保证所需耐压的条件下，应尽量减少沟道长度。u因此，每个MOSFET元都要做得很小，每个元件通过的电流也很小。u为了能使器件通过较大的电流，每个器件由许多个MOSFET元组成。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20533.电

32、力MOSFET（3）电力MOSFET的特性与参数电力MOSFET的主要参数3漏极漏极电压电压U UDSDS它就是电力MOSFFT的额定电压，选用时必须留有较大安全余量。漏极漏极最大允许电流最大允许电流I IDMDM它就是MOSFET的额定电流，其大小主要受晶体管的温升限制。栅源极栅源极电压电压U UGSGS（不得超过（不得超过20V20V）栅极与源极之问的绝缘层很薄，承受电压很低，一般不得超过20v，否则绝缘层可能被击穿而损坏，使用中应加以注意。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20543.电力MOSFET（3）电力M

33、OSFET的特性与参数电力MOSFET的主要参数3为了安全可靠，在选用MOSFET时，对电压、电流的额定等级都应留有较大余量。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20554.绝缘栅双极型晶体管IGBT（1）IGBT的结构和基本工作原理123绝缘栅双极晶体管(IGBT)，是一种新发展起来的复合型电力电子器件。由于它结合了MOSFET和GTR的特点，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又具有输入通态电压低，耐压高和承受电流大的优点，这些都使IGBT比GTR有更大的吸引力。在变频器驱动电机、中频和开关电源

34、以及要求快速、低损耗的领域，ICBT有着主导地位。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20564.绝缘栅双极型晶体管IGBT（1）IGBT的结构和基本工作原理基本结构1IGBT也是三端器件，它的三个极为漏极(D)、栅极(G)和源极(S)。（a）内部结构图5-9(a)是一种由N沟道电力MOSFET与晶体管复合而成的IGBT的基本结构。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20574.绝缘栅双极型晶体管IGBT（1）IGBT的结构和基本工作原理基本结构1

35、与图3-5对照可以看出，IGBT比电力MOSFET多一层P+注入区，因而形成了一个大面积的P+N+结J1，这样使得IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少数载流子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。图3-5双向晶闸管伏安特性一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20584.绝缘栅双极型晶体管IGBT（1）IGBT的结构和基本工作原理基本结构1其简化等值电路如图5-9(b)所示。可见，IGBT是以GTR为主导器件，MOSFET为驱动器件的复合管，图中RN为晶体管基区内的调制电阻器。图5-9(c)为I

36、GBT的图形符号。（b）简化等效电路（c）图形符号一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20594.绝缘栅双极型晶体管IGBT（1）IGBT的结构和基本工作原理工作原理2其开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE决定的，当UGE为正且大于开启电压UGE（th）时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流使其导通。IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，它是一种压控器件。当栅极与发射极之间加反向电压或不加电压时，MOSFET内的沟道消失，晶体管无基极电流，IGBT关断。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样

37、式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20604.绝缘栅双极型晶体管IGBT（1）IGBT的结构和基本工作原理工作原理2上面介绍的PNP晶体管与N沟道MOSFET组合而成的IGBT称为N沟道IGBT，其图形符号如图5-7(c)所示。对应的还有P沟道IGBT。统称为IGBT。由于实际应用中以N沟道IGBT为多，因此下面仍以N沟道IGBT为例进行介绍。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20614.绝缘栅双极型晶体管IGBT（2）IGBT的静态特性与主要参数IGBT的静态特性1与电力MOSFET相

38、似，IGBT的转移特性和输出特性分别描述器件的控制能和工作状态。图5-10（a）为IGBT的转移特性，它描述的是集电极电流Ic与栅射电压UGE之间的关系，与电力MOSFET的转移特性相似。（a）转移特性一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20624.绝缘栅双极型晶体管IGBT（2）IGBT的静态特性与主要参数IGBT的静态特性1开启电压UCE(th)是IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压。UCE(th)随温度升高而略有下降，温度升高1，其值下降5mV左右。在+25时，UCE(th)的值一般为26V。一、常用的典型开

39、关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20634.绝缘栅双极型晶体管IGBT（2）IGBT的静态特性与主要参数IGBT的静态特性1图5-10(b)为IGBT的输出特性，它描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极电流Ic与集射极间电压UCE之间的关系。（b）转移特性一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20644.绝缘栅双极型晶体管IGBT（2）IGBT的静态特性与主要参数IGBT的静态特性1l此特性与GTR的输出特性相似，不同的是参考变量，IGBT为栅射电压UGE，GT

40、R为基极电流IB。l IGBT的输出特性也分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。这分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应。l此外，当uCE0，IGBT为反向阻断工作状态。l在电力电子电路中，IGBT工作在开关状态，因而是在正向阻断区和饱和区之间来同转换。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20654.绝缘栅双极型晶体管IGBT（2）IGBT的静态特性与主要参数主要参数2n这个电压值是厂家根据器件的雪崩击穿电压而规定的，是栅极发射极短路时ICBT能承受的耐压值，即UCES值小于等于雪崩击穿电压。电极发射极额定电压U

41、CES一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20664.绝缘栅双极型晶体管IGBT（2）IGBT的静态特性与主要参数主要参数2IGBT是电压控制器件，靠加到栅极的电压信号控制IGBT的导通和关断，而UCES就是栅极控制信号的电压额定值。目前，IGBT的UCES值大部分为+20V，使用中不能超过该值。栅极栅极发发射射极极额定电额定电压压U UCES CES 一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20674.绝缘栅双极型晶体管IGBT（2）IGBT的静态特

42、性与主要参数主要参数2额定集电极额定集电极电流电流I Ic c该参数给出了IGBT在导通时能流过晶体管的持续最大电流。一、常用的典型开关器件单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20681.基本的直流斩波（DCDC变换）电路DCDC变换电路广泛应用于开关电源、无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机车车辆的无级变速以及20世纪80年代兴起的电动汽车调速及控制。开关电源的核心技术就是DCDC变换电路。DCDC变换电路用于将直流电压变换成固定的或可调的直流电压。二、开关电源单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-

43、03-20691.基本的直流斩波（DCDC变换）电路（a）电路最基本的直流斩波电路如图5-11(a)所示，输入电压为Ud，负载为纯电阻R。二、开关电源单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20701.基本的直流斩波（DCDC变换）电路当开关S闭合时，负载电压u0=Ud，并持续时间ton；当开关S断开时，负载上电压u0=0V，并持续时间toff。则TS=ton+toff为斩波电路的工作周期，斩波器的输出电压波形如图5-11（b）所示。二、开关电源单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20711.基

44、本的直流斩波（DCDC变换）电路只要调节D，即可调节负载的平均电压。二、开关电源单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20721.基本的直流斩波（DCDC变换）电路常见的DC/DC变换电路有非隔离型电路、隔离型电路和软开关电路。非隔离型电路即各种直流斩波电路，根据电路形式的不同可以分为降压型(Buck)电路、升压型(Boost)电路、升降压(Boost-Buck)电路、库克式(Cuk)斩波电路。其中降压式斩波电路、升压式斩波电路是基本形式，升降压式和库克式是它们的组合。二、开关电源单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四

45、级第五级2017-03-20731.基本的直流斩波（DCDC变换）电路（1）降压斩波电路电路结构1降压斩波电路是一种输出电压的平均值低于输入直流电压的电路。它主要用于直流稳压电源和直流电机的调速。二、开关电源单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20741.基本的直流斩波（DCDC变换）电路（1）降压斩波电路电路结构1降压斩波电路的原理图及工作波形如图5-12所示。(d)电路工作波形二、开关电源单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20751.基本的直流斩波（DCDC变换）电路（1）降压斩波电路

46、电路结构1l图中Ud为同定电压的输入直流电源，v为开关管（可以是大功率晶体管GTR，也可以是电力场效应晶体管MOSFET或者是绝缘栅双极晶体管lGBT）。lR为负载，为在VT关断时给负载中的电感电流提供通道，还设置了续流二极管VD。二、开关电源单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20761.基本的直流斩波（DCDC变换）电路（1）降压斩波电路电路的工作原理21t=0时刻，驱动V导通，电源Ud向负载供电，忽略v的导通压降，负载电压u0=Ud，负载电流按指数规律上升。2t=t1时刻，撤去v的驱动使其关断，因电感性负载电流不能突变，负载电流通过续流

47、二极管VD续流，忽略VD导通压降，负载电压u0=0v，负载电流按指数规律下降。为使负载电流连续且脉动小，一般需串联较大的电感器L，L又称平波电感。二、开关电源单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20771.基本的直流斩波（DCDC变换）电路（1）降压斩波电路电路的工作原理23t=t2时刻，再次驱动V导通，重复上述工作过程。二、开关电源单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20781.基本的直流斩波（DCDC变换）电路（1）降压斩波电路电路的工作原理2由于电感器电压在稳态时为0，即一个周期内的平

48、均值必须为0，因此可推导出：因此得只要调节D，即可调节负载的平均电压。二、开关电源单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20791.基本的直流斩波（DCDC变换）电路（2）升压斩波电路电路的结构1升压斩波电路的输出电压总是高于输入电压。升压式斩波电路与降压斩波电路最大的不同点是，斩波控制开关V与负载呈并联形式连接，储能电感器L与负载呈串联形式连接，升压斩波电路的原理图及工作波形如图5-13所示。二、开关电源单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20801.基本的直流斩波（DCDC变换）电路（2）

49、升压斩波电路电路的结构1二、开关电源单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20811.基本的直流斩波（DCDC变换）电路（2）升压斩波电路电路的工作原理2当V导通时（ton），能量储存在L中。由于VD截止，所以ton期间负载电流由C供给。在toff期间，V截止，储存在L中的能量通过VD传递到负载和C其电压的极性与Ud相同，且与Ud相串联，提供一种升压作用。二、开关电源单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20821.基本的直流斩波（DCDC变换）电路（2）升压斩波电路电路的工作原理2由于电感器电

50、压在稳态时为0，即一个周期内的平均值必须为0，因此可推导出可得：上式中输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。调节D大小，即可改变输出电压U0的大小。（5-2）二、开关电源单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20831.基本的直流斩波（DCDC变换）电路（2）升压斩波电路电路的工作原理2同理，由于电容器电流存稳态时为0，即一个周期内的平均值必须为0，因此可推导可得：（5-3）即输人电流与输出电流的关系。二、开关电源单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2017-03-20841.基本的直流斩波（DCD