电力电子技术,电力电子技术,学习目标 了解开关电源的发展和应用； 掌握大功率晶体管GTR、功率场效应晶体管MOSFET结构特性； 掌握DC/DC变换电路的基本概念和工作原理； 掌握开关电源组成与原理； 掌握 PC主机开关电源典型故障现象及检修方法； 学会开关电源应用 。,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，是电子设备的主流电源。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都大量采用了开关电源。图4-1是常见的PC主机开关电源。,图4-1 PC主机开关电源,项目描述,PC主机开关电源的基本作用就是将交流电网的电能转换为适合各个配件使用的低压直流电供给整机使用。一般有四路输出，分别是+5V、-5V、+12V、-12V。 电路的原理框图如图4-3所示，输入电压为AC220v，50Hz的交流电，经过滤波，再由整流桥整流后变为300V左右的高压直流电，然后通过功率开关管的导通与截止将直流电压变成连续的脉冲，再经变压器隔离降压及输出滤波后变为低压的直流电。开关管的导通与截止由PWM（脉冲宽度调制）控制电路发出的驱动信号控制。,图4-3 开关电源的原理框图,【相关知识点】：,一、开关器件,开关器件有许多，经常使用的是场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT，在小功率开关电源上也使用大功率晶体管GTR，本实例中使用的是GTR。,1大功率晶体管GTR,(1)大功率晶体管的结构和工作原理,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以上的三极管称为大功率晶体管，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。,图4-4（a）是NPN型功率晶体管的内部结构，电气图形符号如图（b）所示。大多数GTR是用三重扩散法制成的，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。,图4-4 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子流动 (a)GTR的结构 (b）电气图形符号 (c）内部载流子的流动,大功率晶体管通常采用共发射极接法，图4-4（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意图。图中，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。,一些常见大功率晶体三极管的外形如图4-5所示。从图可见，大功率晶体三极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，便于将三极管安装在外加的散热器上。因为对大功率三极管来讲，单靠外壳散热是远远不够的。例如，50W的硅低频大功率晶体三极管，如果不加散热器工作，其最大允许耗散功率仅为23W。,图4-5 常见大功率三极管外形,2）工作原理 在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态。晶体管通常连接称共发射极电路，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。,(2)GTR的特性与主要参数 1）GTR的基本特性,静态特性 共发射极接法时，GTR的典型输出特性如图4-6，可分为3个工作区： 截止区。在截止区内，Ib0，Ube0，Ubc0，集电极只有漏电流流过。 放大区。Ib0，Ube0，Ubc0，Ic =Ib。 饱和区。 ，Ube0，Ubc0。Ics是集电极饱和电流，其值由外电路决定。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，如Ib继续增加，则为过饱和。用作开关时，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。,图4-6 GTR共发射极接法的输出特性,动态特性 动态特性描述GTR开关过程的瞬态性能，又称开关特性。GTR在实际应用中，通常工作在频繁开关状态。图4-7表明了GTR开关特性的基极、集电极电流波形。,整个工作过程分为开通过程、导通状态、关断过程、阻 断状态4个不同的阶段。图中开通时间ton对应着GTR由截 止到饱和的开通过程，关断时间toff对应着GTR饱和到截 止的关断过程。,图4-7 开关过程中ib和ic的波形,GTR的开通过程是从t0时刻起注入基极驱动电流，这时并不能立刻产生集电极电流，过一小段时间后，集电极电流开始上升，逐渐增至饱和电流值Ics。把ic达到10%Ics的时刻定为t1，达到90%Ics的时刻定为t2，则把t0到t1这段时间称为延迟时间，以td表示，把t1到t2这段时间称为上升时间，以tr表示。 要关断GTR，通常给基极加一个负的电流脉冲。但集电极电流并不能立即减小，而要经过一段时间才能开始减小，再逐渐降为零。把ib降为稳态值Ib1的90%的时刻定为t3，ic下降到90% Ics的时刻定为t4，下降到10%Ics的时刻定为t5，则把t3到t4这段时间称为储存时间，以ts表示，把t4到t5这段时间称为下降时间，以tf表示。,延迟时间 和上升时间 和是GTR从关断到导通所需要的时间，称为开通时间，以 表示，则ton= td+ tr 储存时间ts和下降时间tf之和是GTR从导通到关断所需要的时间，称为关断时间，以toff表示，则toff= ts+ tf. GTR在关断时漏电流很小，导通时饱和压降很小。因此，GTR在导通和关断状态下损耗都很小，但在关断和导通的转换过程中，电流和电压都较大，随意开关过程中损耗也较大。当开关频率较高时，开关损耗是总损耗的主要部分。因此，缩短开通和关断时间对降低损耗，提高效率和运行可靠性很有意义。,图4-7 开关过程中ib和ic的波形,2）GTR的参数 这里主要讲述GTR的极限参数，即最高工作电压、最大工作电流、最大耗散功率和最高工作结温等。 最高工作电压 GTR上所施加的电压超过规定值时，就会发生击穿。击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。 BUcbo：发射极开路时，集电极和基极间的反向击穿电压。 BUceo：基极开路时，集电极和发射极之间的击穿电压。,BUcer：实际电路中，GTR的发射极和基极之间常接有电阻R，这时用BUcer表示集电极和发射极之间的击穿电压。 BUces：当R为0，即发射极和基极短路，用BUces表示其击穿电压。 BUcex：发射结反向偏置时，集电极和发射极之间的击穿电压。 其中BUcboBUcexBUcesBUcerBUceo，实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多。,集电极最大允许电流IcM GTR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。因此，必须规定集电极最大允许电流值。通常规定共发射极电流放大系数下降到规定值的1/21/3时，所对应的电流Ic为集电极最大允许电流，以IcM表示。实际使用时还要留有较大的安全余量，一般只能用到IcM值的一半或稍多些。,集电极最大耗散功率PcM 集电极最大耗散功率是在最高工作温度下允许的耗散功率，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值IC不能过大，散热条件要好,最高工作结温TJM GTR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。,(3)GTR的二次击穿和安全工作区 1）二次击穿问题 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，其原因一般是由二次击穿引起的，二次击穿是影响GTR安全可靠工作的一各重要因素。 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。照理，只要功耗不超过极限，管子是可以承受的，但是在实际使用中，出现负阻效应，Ie进一步剧增。由于管子结面的缺陷、结构参数的不均匀，使局部电流密度剧增，形成恶性循环，使管子损坏。,二次击穿的持续时间在纳秒到微秒之间完成，由于管子的材料、工艺等因素的分散性，二次击穿难以计算和预测。防止二次击穿的办法是：应使实际使用的工作电压比反向击穿电压低得多。必须有电压电流缓冲保护措施。,2）安全工作区 以直流极限参数IcM、PcM、UceM构成的工作区为一次击穿工作区，如图48所示。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。以3DD8E晶体管测试数据为例，其PcM=100W，BUceo200V，但由于受到击穿的限制，当Uce=100V时，PSB为60W，Uce=200V时PSB仅为28W！所以，为了防止二次击穿，要选用足够大功率的管子，实际使用的最高电压通常比管子的极限电压低很多。 安全工作区是在一定的温度条件下得出的，例如环境温度25或壳温75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额。,4-8 GTR安全工作区,(4) GTR的驱动与保护 1）GTR基极驱动电路 对基极驱动电路的要求 由于GTR主电路电压较高，控制电路电压较低，所以应实现主电路与控制电路间的电隔离。,GTR导通期间，在任何负载下，基极电流都应使GTR处在临界饱和状态，这样既可降低导通饱和压降，又可缩短关断时间。 在使GTR关断时，应向基极提供足够大的反向基极电流（如图4-9波形所示），以加快关断速度，减小关段损耗。 应有较强的抗干扰能力，并有一定的保护功能。,基极驱动电路 图4-10是一个简单实用的GTR驱动电路。该电路采用正、负双电源供电。当输入信号为高电平时，三极管V1、V2和V3导通，而V4截止，这时V5就导通。二极管VD3可以保证GTR导通时工作在临界饱和状态。流过二极管VD3的电流随GTR的临界饱和程度而改变，自动调节基极电流。当输入低电平时，V1、V2、V3截止，而V4导通，这就给GTR的基极一个负电流，使GTR截止。在V4导通期间，GTR的基极-发射极一直处于负偏置状态，这就避免了反向电流的通过，从而防止同一桥臂另一个GTR导通产生过电流。,4-10 实用的GTR驱动电路,集成化驱动 集成化驱动电路克服了一般电路元件多、电路复杂、稳定性差和使用不便的缺点，还增加了保护功能。如法国THOMSON公司为GTR专门设计的基极驱动芯片UAA4002。采用此芯片可以简化基极驱动电路，提高基极驱动电路的集成度、可靠性、快速性。它把对GTR的完整保护和最优驱动结合起来，使GTR运行于自身可保护的准饱和最佳状态。,2）GTR的保护电路 为了使GTR在厂家规定的安全工作区内可靠的工作，必须对其采用必要的保护措施。而对GTR的保护相对来说比较复杂，因为它的开关频率较高，采用快熔保护是无效的。一般采用缓冲电路。主要有RC缓冲电路、充放电型R-C-VD缓冲电路和阻止放电型R-C-VD缓冲电路三种形式，如图4-11所示。,4-11 GTR的缓冲电路,（a）RC缓冲电路 （b）充放电型R-C-VD缓冲电路 （c）阻止放电型R-C-VD缓冲电路 RC缓冲电路简单，对关断时集电极发射极间电压上升有抑制作用。这种电路只适用于小容量的GTR（电流10A以下）。 充放电型R-C-VD缓冲电路增加了缓冲二极管VD2，可以用于大容量的GTR。但它的损耗（在缓冲电路的电阻上产生的）较大，不适合用于高频开关电路。 阻止放电型R-C-VD缓冲电路，较常用于大容量GTR和高频开关电路的缓冲器。其最大优点是缓冲产生的损耗小。 为了使GTR正常可靠地工作，除采用缓冲电路之外，还应设计最佳驱动电路，并使GTR工作于准饱和状