2025/3/7電力電子與變頻技術1

PC主機開關電源電路2025/3/7電力電子與變頻技術22025/3/7電力電子與變頻技術3任務一全控型電力電子器件的應用學習目標：

1．認識GTR、MOSFET和IGBT的外形結構、端子和型號。2．會測試GTR、MOSFET和IGBT，會判別器件的端子和好壞。3．通過選擇器件，掌握器件的基本參數(shù)工作任務：1．認識GTR、MOSFET和IGBT的外形結構、端子和型號。2．用萬用表及實驗裝置進行器件的測試。3．器件的選用。相關知識：

1．大功率晶體管GTR

2025/3/7電力電子與變頻技術4在電力電子技術中，GTR主要工作在開關狀態(tài)。晶體管通常連接稱共發(fā)射極電路，NPN型GTR通常工作在正偏（>0）時大電流導通；反偏（<0）時處于截止的開關工作狀態(tài)。2025/3/7電力電子與變頻技術52)GTR的特性與主要參數(shù)與普通的雙極結型晶體管基本原理是一樣的主要特性是耐壓高、電流大、開關特性好通常采用至少由兩個晶體管按達林頓接法組成的單元結構采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成2025/3/7電力電子與變頻技術62）動態(tài)特性GTR是用基極電流來控制集電極電流的，下圖給出了GTR開通和關斷過程中基極、集電極電流波形關系。延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間tonts是用來除去飽和導通時儲存在基區(qū)的載流子的，是關斷時間的主要部分關斷時需要經過儲存時間ts和下降時間tf，兩者之和為關斷時間toff。GTR的開關時間在幾微秒以內。2025/3/7電力電子與變頻技術72）GTR的參數(shù)這里主要講述GTR的極限參數(shù)，即最高工作電壓、最大工作電流、最大耗散功率和最高工作結溫等。①最高工作電壓GTR上所施加的電壓超過規(guī)定值時，就會發(fā)生擊穿。擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關，還與外電路接法有關。BUcbo：發(fā)射極開路時，集電極和基極間的反向擊穿電壓。BUceo：基極開路時，集電極和發(fā)射極之間的擊穿電壓。BUcer：實際電路中，GTR的發(fā)射極和基極之間常接有電阻R，這時用BUcer表示集電極和發(fā)射極之間的擊穿電壓。BUces：當R為0，即發(fā)射極和基極短路，用BUces表示其擊穿電壓。BUcex：發(fā)射結反向偏置時，集電極和發(fā)射極之間的擊穿電壓。其中BUcbo>BUcex>BUces>BUcer>BUceo，實際使用時，為確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得多。2025/3/7電力電子與變頻技術8②集電極最大允許電流IcM

GTR流過的電流過大，會使GTR參數(shù)劣化，性能將變得不穩(wěn)定，尤其是發(fā)射極的集邊效應可能導致GTR損壞。因此，必須規(guī)定集電極最大允許電流值。通常規(guī)定共發(fā)射極電流放大系數(shù)下降到規(guī)定值的1/2～1/3時，所對應的電流Ic為集電極最大允許電流，以IcM表示。實際使用時還要留有較大的安全余量，一般只能用到IcM值的一半或稍多些通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/2~1/3時所對應的Ic實際使用時要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點。③集電極最大耗散功率PcM

集電極最大耗散功率是在最高工作溫度下允許的耗散功率，用PcM表示。它是GTR容量的重要標志。晶體管功耗的大小主要由集電極工作電壓和工作電流的乘積來決定，它將轉化為熱能使晶體管升溫，晶體管會因溫度過高而損壞。實際使用時，集電極允許耗散功率和散熱條件與工作環(huán)境溫度有關。所以在使用中應特別注意值IC不能過大，散熱條件要好。2025/3/7電力電子與變頻技術9.GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)一次擊穿集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變

二次擊穿一次擊穿發(fā)生時Ic增大到某個臨界點時會突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降常常立即導致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變2025/3/7電力電子與變頻技術10安全工作區(qū)以直流極限參數(shù)IcM、PcM、UceM構成的工作區(qū)為一次擊穿工作區(qū)，如圖4－8所示。以USB（二次擊穿電壓）與ISB（二次擊穿電流）組成的PSB（二次擊穿功率）如圖中虛線所示，它是一個不等功率曲線。以3DD8E晶體管測試數(shù)據(jù)為例，其PcM=100W，BUceo≥200V，但由于受到擊穿的限制，當Uce=100V時，PSB為60W，Uce=200V時PSB僅為28W！所以，為了防止二次擊穿，要選用足夠大功率的管子，實際使用的最高電壓通常比管子的極限電壓低很多。2025/3/7電力電子與變頻技術11電力場效應晶體管電力場效應晶體管有兩種類型，即結型和絕緣柵型，但通常指絕緣柵型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor），簡稱電力MOSFET，或者簡稱MOS管，如圖所示。至于結型電力場效應晶體管一般稱做靜電感應晶體管（SIT），這里主要講電力MOSFET。2025/3/7電力電子與變頻技術12(1)電力MOSFET的結構MOSFET種類和結構繁多，按導電溝道可分為P溝道和N溝道。N溝道中多數(shù)載流子是電子，P溝道中多數(shù)載流子是空穴。其中每一類又可分為增強型和耗盡型兩種，耗盡型就是當柵源間電壓UGS=0時，漏源極之間就存在導電溝道；增強型就是當UGS>0（N溝道）或UGS<0（P溝道）時才存在導電溝道，電力MOSFET絕大多數(shù)是N溝道增強型。它的三個極分別是：柵極G、源極S、漏極D。2025/3/7電力電子與變頻技術13電力MOSFET在導通時只有一種極性的載流子（多子）參與導電，是單極型器件。其導電機理與小功率MOS管相同，但結構上有較大區(qū)別。小功率MOS管是一次擴散形成的器件，其導電溝道平行于芯片表面，是橫向導電器件。而目前電力MOSFET大都采用了垂直導電結構，所以又稱為VMOSFET。這大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。(2)工作原理當D、S間加正電壓（漏極為正，源極為負），UGS=0時，P基區(qū)和N漏區(qū)的PN結J1反偏，D、S之間無電流通過；如果在G、S之間加一正電壓UGS，由于柵極是絕緣的，所以不會有電流流過，但柵極的正電壓會將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子——電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面。當UGS大于某一電壓UT時，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，從而使P型半導體反型成N型半導體而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結J1消失，漏極和源極導電。電壓UT稱開啟電壓或閥值電壓，UGS超過UT越多，導電能力越強，漏極電流

越大。2025/3/7電力電子技術14(3)電力MOSFET的基本特性1）靜態(tài)特性ID和UGS的關系曲線反映了輸入電壓和輸出電流的關系，稱為MOSFET的轉移特性。MOSFET的漏極伏安特性，即輸出特性。從圖中可以看出，MOSFET有三個工作區(qū)：截止區(qū)：UGS≤UT，ID=0，這和電力晶體管的截止區(qū)相對應。飽和區(qū)：UGS＞UT，UDS≥UGS-UT，當UGS不變時，ID幾乎不隨UDS的增加而增加，近似為一常數(shù)，故稱飽和區(qū)。2025/3/7電力電子技術15非飽和區(qū)：UGS＞UT，UDS＜UGS-UT，漏源電壓UDS和漏極電流ID之比近似為常數(shù)。該區(qū)對應于電力晶體管的飽和區(qū)。當MOSFET作開關應用而導通時即工作在該區(qū)。2）動態(tài)特性2025/3/7電力電子技術16(4)電力MOSFET的主要參數(shù)除前面已涉及到的跨導

、開啟電壓

以及開關過程中的個時間參數(shù)外，電力MOSFET還有以下主要參數(shù)：1）漏極電壓UDS它就是MOSFET的額定電壓，選用時必須留有較大安全余量。2）漏極直流電流ID和最大允許電流IDM它就是MOSFET的額定電流，其大小主要受管子的溫升限制。3）柵源電壓UGS柵極與源極之間的絕緣層很薄，承受電壓很低，一般

>20V將導致絕緣層擊穿，使用中應加以注意。(5)電力MOSFET的驅動1）對柵極驅動電路的要求①能向柵極提供需要的柵壓，以保證可靠開通和關斷MOSFET。②減小驅動電路的輸出電阻，以提高柵極充放電速度，從而提高MOSFET的開關速度。③主電路與控制電路需要電的隔離。

④應具有較強的抗干擾能力，這是由于MOSFET通常工作頻率高、輸入電阻大、易被干擾的緣故。2025/3/7電力電子技術17(6)MOSFET的保護電路1）防止靜電擊穿電力MOSFET的最大優(yōu)點是具有極高的輸入阻抗，因此在靜電較強的場合難于泄放電荷，容易引起靜電擊穿。防止靜電擊穿應注意以下事項。①在測試和接入電路之前器件應存放在靜電包裝袋，導電材料或金屬容器中，不能放在塑料盒或塑料袋中。取用時應拿管殼部分而不是引線部分。工作人員需通過腕帶良好接地。②將器件接入電路時，工作臺和烙鐵都必須良好接地，焊接時烙鐵應斷電。③在測試器件時，測量儀器和工作臺都必須良好接地。器件的三個電極未全部接入測試儀器或電路前不要施加電壓。改換測試范圍時，電壓和電流都必須先恢復到零。④注意柵極電壓不要過限。2025/3/7電力電子技術183.絕緣柵雙極晶體管IGBTIGBT的基本結構2025/3/7電力電子技術19(2)IGBT的工作原理IGBT的驅動原理與電力MOSFET基本相同，是一種場控器件。其開通和關斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓決定的，當為正且大于開啟電壓時，MOSFET內形成溝道，并為晶體管提供基極電流進而使IGBT導通。當柵極與發(fā)射極之間加反向電壓或不加電壓時，MOSFET內的溝道消失，晶體管無基極電流，IGBT關斷。(3)IGBT的基本特性1）靜態(tài)特性

2025/3/7電力電子技術202）動態(tài)特性(4)IGBT的主要參數(shù)1）集電極—發(fā)射極額定電壓UCES：這個電壓值是廠家根據(jù)器件的雪崩擊穿電壓而規(guī)定的，是柵極—發(fā)射極短路時IGBT能承受的耐壓值，即UCES值小于等于雪崩擊穿電壓。2）柵極—發(fā)射極額定電壓UGES：IGBT是電壓控制器件，靠加到柵極的電壓信號控制IGBT的導通和關斷，而UGES就是柵極控制信號的電壓額定值。目前，IGBT的UGES值大部分為+20V，使用中不能超過該值。3）額定集電極電流IC：該參數(shù)給出了IGBT在導通時能流過管子的持續(xù)最大電流。2025/3/7電力電子技術21(5)IGBT的擎住效應和安全工作區(qū)在IGBT內部寄生著一個N-PN+晶體管和作為主開關器件的P+N-P晶體管組成的寄生晶閘管。其中NPN晶體管基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，P區(qū)的橫向空穴電流會在該電阻上產生壓降，相當于對J3結施加一個正偏壓，在額定集電極電流范圍內，這個偏壓很小，不足以使J3開通，然而一旦J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，導致集電極電流增大，造成器件功耗過高而損壞。這種電流失控的現(xiàn)象，就像普通晶閘管被觸發(fā)以后，即使撤消觸發(fā)信號晶閘管仍然因進入正反饋過程而維持導通的機理一樣，因此被稱為擎住效應或自鎖效應。引發(fā)擎住效應的原因，可能是集電極電流過大（靜態(tài)擎住效應），也可能是最大允許電壓上升率duCE/dt過大（動態(tài)擎住效應），溫度升高也會加重發(fā)生擎住效應的危險。2025/3/7電力電子技術22任務二

DC/DC變換電路的工作原理分析一、學習目標1．了解DC/DC變換電路的工作原理。2．掌握常用DC/DC變換電路。3．了解脈寬調制（PWM）控制技術及其應用。二、工作任務1．能夠區(qū)分直流斬波器種類，會分析其工作原理。2．能夠簡單分析脈寬調制（PWM）