開關(guān)電源原理及其應(yīng)用第一部分：功率電子器件第一節(jié)：功率電子器件及其應(yīng)用要求功率電子器件大量被應(yīng)用于電源、伺服驅(qū)動(dòng)、變頻器、電機(jī)保護(hù)器等功率電子設(shè)備這些設(shè)備都是自動(dòng)化系統(tǒng)中必不可少的，因此，我們了解它們是必要的近年來，隨著應(yīng)用日益高速發(fā)展的需求，推動(dòng)了功率電子器件的制造工藝的研究和發(fā)展，功率電子器件有了飛躍性的進(jìn)步器件的類型朝多元化發(fā)展，性能也越來越改善大致來講，功率器件的發(fā)展，體現(xiàn)在如下方面：1． 器件能夠快速恢復(fù)，以滿足越來越高的速度需要以開關(guān)電源為例，采用雙極型晶體管時(shí)，速度可以到幾十千赫；使用 以到幾百千赫；而采用了諧振技術(shù)的開關(guān)電源，則可以達(dá)到兆赫以上2． 通態(tài)壓降（正向壓降）降低這可以減少器件損耗，有利于提高速度，減小器件體積3． 電流控制能力增大電流能力的增大和速度的提高是一對(duì)矛盾，目前最大電流控制能力，特別是在電力設(shè)備方面，還沒有器件能完全替代可控硅4． 額定電壓：耐壓高耐壓和電流都是體現(xiàn)驅(qū)動(dòng)能力的重要參數(shù)，特別對(duì)電力系統(tǒng)，這顯得非常重要5． 溫度與功耗這是一個(gè)綜合性的參數(shù)，它制約了電流能力、開關(guān)速度等能力的提高目前有兩個(gè)方向解決這個(gè)問題，一是繼續(xù)提高功率器件的品質(zhì)，二是改進(jìn)控制技術(shù)來降低器件功耗，比如諧振式開關(guān)電源。

總體來講，從耐壓、電流能力看，可控硅目前仍然是最高的，在某些特定場合，仍然要使用大電流、高耐壓的可控硅但一般的1工業(yè)自動(dòng)化場合，功率電子器件已越來越多地使用 別是 得了更多的使用，開始全面取代可控硅來做為新型的功率控制器件第二節(jié)：功率電子器件概覽一． 整流二極管：二極管是功率電子系統(tǒng)中不可或缺的器件，用于整流、續(xù)流等目前比較多地使用如下三種選擇：1． 高效快速恢復(fù)二極管壓降 合小功率，12． 高效超快速二極管合小功率，12V 左右電源3． 肖特基勢壘整流二極管 合 5V 等低壓電源缺點(diǎn)是其電阻和耐壓的平方成正比，所以耐壓低（200V 以下），反向漏電流較大，易熱擊穿但速度比較快，通態(tài)壓降低目前 研究前沿，已經(jīng)超過 1 萬伏二．大功率晶體管 管形式電流系數(shù)：10管形式——達(dá)林頓管電流倍數(shù)：100和壓降大，速度慢下圖虛線部分即是達(dá)林頓管圖 1林頓管應(yīng)用2實(shí)際比較常用的是達(dá)林頓模塊，它把 流二極管、輔助電路做到一個(gè)模塊內(nèi)在較早期的功率電子設(shè)備中，比較多地使用了這種器件圖 1這種器件的內(nèi)部典型結(jié)構(gòu)`圖 1林頓模塊電路典型結(jié)構(gòu)兩個(gè)二極管左側(cè)是加速二極管，右側(cè)為續(xù)流二極管加速二極管的原理是引進(jìn)了電流串聯(lián)正反饋，達(dá)到加速的目的。

這種器件的制造水平是 1800V/800A/200V/3A/100右（參考）三． 可控硅 耐壓場合還是必須的，但在常規(guī)工業(yè)控制的低壓、中小電流控制中，已逐步被新型器件取代目前的研制水平在 12000A 左右（參考）由于可控硅換流電路復(fù)雜，逐步開發(fā)了門極關(guān)斷晶閘管 造水平達(dá)到 8率為 1右無論是 是 制電路都過于復(fù)雜，特別是需要龐大的吸收電路而且，速度低，因此限制了它的應(yīng)用范圍拓寬集成門極換流晶閘管 斷晶閘管之類的器件在控制門極前使用了 ，從而達(dá)到硬關(guān)斷能力四． 功率 特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)功率小，速度高，安全工作區(qū)寬但高壓時(shí)，導(dǎo)通電阻與電壓的平方成正比，因而提高耐壓和降低高壓阻抗困難適合低壓 100V 以下，是比較理想的器件目前的研制水平在 1000V/65A 左右（參考）商業(yè)化的產(chǎn)品達(dá)到 60V/200A/200V/50A/100目前速度最快的功率器件五． 這種器件的特點(diǎn)是集 優(yōu)點(diǎn)于一身輸入阻抗高，速度快，熱穩(wěn)定性好通態(tài)電壓低，耐壓高，電流大目前這種器件的兩個(gè)方向：一是朝大功率，二是朝高速度發(fā)展大功率 塊達(dá)到 1200800水平（參考）速度在中等電壓區(qū)域（370可達(dá)到 150的電流密度比 ，芯片面積只有 40%。

但速度比 盡管電力電子器件發(fā)展過程遠(yuǎn)比我們現(xiàn)在描述的復(fù)雜，但是 別是 經(jīng)成為現(xiàn)代功率電子器件的主流因此，我們下面的重點(diǎn)也是這兩種器件第三節(jié)：功率場效應(yīng)管 ．原理：半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)分析略本講義附加了相關(guān)資料，供感興趣的同事可以查閱實(shí)際上，功率場效應(yīng)管也分結(jié)型、絕緣柵型但通常指后者中的 ，即 它又分為 N 溝道、P 溝道兩種器件符號(hào)如下：N 溝道 P 溝道圖 1圖形符號(hào)件的電極分別為柵極 G、漏極 D、源極 S和普通 一樣，它也有：耗盡型：柵極電壓為零時(shí)，即存在導(dǎo)電溝道無論 強(qiáng)型：需要正偏置柵極電壓，才生成導(dǎo)電溝道達(dá)到飽和前， 一般使用的功率 數(shù)是 N 溝道增強(qiáng)型而且不同于一般小功率 的橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)，使用了垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，從而提高了耐壓、電流能力，因此又叫 ．特點(diǎn)：這種器件的特點(diǎn)是輸入絕緣電阻大（1 萬兆歐以上），柵極電流基本為零驅(qū)動(dòng)功率小，速度高，安全工作區(qū)寬但高壓時(shí)，導(dǎo)通電阻與電壓的平方成正比，因而提高耐壓和降低高壓阻抗困難適合低壓 100V 以下，是比較理想的器件目前的研制水平在 1000V/65A 左右（參考）其速度可以達(dá)到幾百 用諧振技術(shù)可以達(dá)到兆級(jí)三．參數(shù)與器件特性：無載流子注入，速度取決于器件的電容充放電時(shí)間，與工作溫度關(guān)系不大，故熱穩(wěn)定性好。

1） 轉(zhuǎn)移特性：為轉(zhuǎn)移特性從下圖可以看到，隨著導(dǎo)將越來越高圖 1轉(zhuǎn)移特性（2） 輸出特性（漏極特性）：輸出特性反應(yīng)了漏極電流隨 個(gè)特性和 圖反映了這種規(guī)律圖中，爬坡段是非飽和區(qū)，水平段為飽和區(qū)，靠近橫軸附近為截止區(qū)，這點(diǎn)和 區(qū)別輸出特性 時(shí)的飽和電流稱為飽和漏電流 3）通態(tài)電阻 態(tài)電阻是器件的一個(gè)重要參數(shù)，決定了電路輸出電壓幅度和損耗該參數(shù)隨溫度上升線性增加而且 態(tài)電阻減小4）跨導(dǎo)：增益特性稱為跨導(dǎo)定義為：I D/ΔV 個(gè)數(shù)值越大越好，它反映了管子的柵極控制能力5）柵極閾值電壓柵極閾值電壓 的最低柵極電壓它具有負(fù)溫度系數(shù)，結(jié)溫每增加 45 度，閾值電壓下降10%6）電容一個(gè)明顯特點(diǎn)是三個(gè)極間存在比較明顯的寄生電容，這些電容對(duì)開關(guān)速度有一定影響偏置電壓高時(shí)，電容效應(yīng)也加大，因此對(duì)高壓電子系統(tǒng)會(huì)有一定影響 有些資料給出柵極電荷特性圖，可以用于估算電容的影響以柵源極為例，其特性如下：可以看到：器件開通延遲時(shí)間內(nèi)，電荷積聚較慢隨著電壓增加，電荷快速上升，對(duì)應(yīng)著管子開通時(shí)間最后，當(dāng)電壓增加到一定程度后，電荷增加再次變慢，此時(shí)管子已經(jīng)導(dǎo)通圖 1極電荷特性（8）正向偏置安全工作區(qū)及主要參數(shù)雙極型晶體管一樣，也有它的安全工作區(qū)。

不同的是，它的安全工作區(qū)是由四根線圍成的最大漏極電流 個(gè)參數(shù)反應(yīng)了器件的電流驅(qū)動(dòng)能力最大漏源極電壓 由器件的反向擊穿電壓決定最大漏極功耗 由管子允許的溫升決定漏源通態(tài)電阻 是 須考慮的一個(gè)參數(shù)，通態(tài)電阻過高，會(huì)影響輸出效率，增加損耗所以，要根據(jù)使用要求加以限制圖 1向偏置安全工作區(qū)第四節(jié)：絕緣柵雙極晶體管 ．原理：半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)分析略本講義附加了相關(guān)資料，供感興趣的同事可以查閱該器件符號(hào)如下：N 溝道 P 溝道圖 1圖形符號(hào)G 的三個(gè)電極分別為門極 G、集電極 C、發(fā)射極 E圖 1等效電路圖上面給出了該器件的等效電路圖實(shí)際上，它相當(dāng)于把 和達(dá)林頓晶體管做到了一起因而同時(shí)具備了 、優(yōu)點(diǎn)二．特點(diǎn)：這種器件的特點(diǎn)是集 優(yōu)點(diǎn)于一身輸入阻抗高，速度快，熱穩(wěn)定性好通態(tài)電壓低，耐壓高，電流大它的電流密度比 ，芯片面積只有 40%但速度比 低大功率 塊達(dá)到 1200800水平（參考）速度在中等電壓區(qū)域（370可達(dá)到 150．參數(shù)與特性：（1）轉(zhuǎn)移特性圖 1轉(zhuǎn)移特性這個(gè)特性和 其類似，反映了管子的控制能力輸出特性圖 1輸出特性它的三個(gè)區(qū)分別為：靠近橫軸：正向阻斷區(qū)，管子處于截止?fàn)顟B(tài)爬坡區(qū)：飽和區(qū)，隨著負(fù)載電流 化，U 所謂飽和狀態(tài)。

水平段：有源區(qū)3）通態(tài)電壓 1態(tài)電壓和 較所謂通態(tài)電壓，是指 入導(dǎo)通狀態(tài)的管壓降 個(gè)電壓隨 上圖可以看到，態(tài)電壓在電流比較大時(shí)，小于 正溫度系數(shù)，電流為負(fù)溫度系數(shù)，大電流范圍內(nèi)為正溫度系數(shù)4）開關(guān)損耗：常溫下， 關(guān)斷損耗差不多關(guān)損耗與溫度關(guān)系不大，但 增加 100 度，損耗增加 2 倍開通損耗 均比 小，而且二者都對(duì)溫度比較敏感，且呈正溫度系數(shù)流越大，損耗越高5）安全工作區(qū)與主要參數(shù) 安全工作區(qū)是由電流 壓 耗 1功耗特性最大集射極間電壓 決于反向擊穿電壓的大小最大集電極功耗 決于允許結(jié)溫最大集電極電流 受元件擎住效應(yīng)限制所謂擎住效應(yīng)問題：由于 在一個(gè)寄生的晶體管，當(dāng) 生晶體管導(dǎo)通，柵極失去控制作用此時(shí)，漏電流增大，造成功耗急劇增加，器件損壞安全工作區(qū)隨著開關(guān)速度增加將減小6）柵極偏置電壓與電阻性主要受柵極偏置控制，而且受浪涌電壓影響其di/顯和柵極偏置電壓、電阻 關(guān)，電壓越高，di/大，電阻越大，di/小而且，柵極電壓和短路損壞時(shí)間關(guān)系也很大，柵極偏置電壓越高，短路損壞時(shí)間越短關(guān)電源基礎(chǔ)第一節(jié)：開關(guān)電源的基本控制原理一．開關(guān)電源的控制結(jié)構(gòu)：一般地，開關(guān)電源大致由輸入電路、變換器。