第四章

電力場效應(yīng)晶體管及其應(yīng)用電力場效應(yīng)晶體管contents目錄帶隔離的直流-直流變換電路電力MOSFET的驅(qū)動電路電力MOSFET應(yīng)用中共性問題軟開關(guān)技術(shù)有源功率因數(shù)校正技術(shù)電路仿真1234567

第一節(jié)電力場效應(yīng)晶體管

工作原理基本結(jié)構(gòu)

基本特性

主要參數(shù)電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管與信息電子電路中的場效應(yīng)晶體管（簡稱信號MOS管）一樣，也分為結(jié)型和絕緣柵型兩種類型。而電力MOSFET通常主要指絕緣柵型電力場效應(yīng)晶體管，結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管則一般稱作靜電感應(yīng)晶體管。電力MOSFET是一種電壓控制型電力電子器件。它具有驅(qū)動電路簡單、驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快、工作頻率高（它是所有電力電子器件中工作頻率最高的）、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、無二次擊穿、安全工作區(qū)寬等顯著優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是電流容量小，耐壓低，通態(tài)電阻大，因此電力MOSFET只適用于中小功率電力電子裝置。信號MOS管結(jié)構(gòu)電力MOSFET單元結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)主要參數(shù)基本特性工作原理基本結(jié)構(gòu)主要參數(shù)基本特性工作原理電力場效應(yīng)晶體管

N溝道P溝道

電力場效應(yīng)晶體管

靜態(tài)特性

靜態(tài)特性主要指電力MOSFET轉(zhuǎn)移特性和輸出特性。轉(zhuǎn)移特性指電力MOSFET漏源極電壓一定時(shí)，其漏極電流和柵源極電壓之間的關(guān)系。電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性

動態(tài)特性

電力MOSFET動態(tài)特性測試電路中，Up為柵極控制電壓信號源，RS為信號源內(nèi)阻，RG為柵極電阻，RL為漏極負(fù)載電阻，RF為檢測漏極電流的電阻。測試電路基本結(jié)構(gòu)主要參數(shù)基本特性工作原理電力場效應(yīng)晶體管基本結(jié)構(gòu)主要參數(shù)基本特性工作原理主要參數(shù)漏極峰值電流柵源擊穿電壓漏極連續(xù)電流漏源擊穿電壓通態(tài)電阻閾值電壓跨導(dǎo)

第二節(jié)帶隔離的直流-直流變換電路

反激變換電路正激變換電路

推挽變換電路

半橋變換電路

全橋變換電路

帶隔離的直流-直流變換電路正激變換電路直流降壓變換電路在虛線位置增加隔離變壓器，變動開關(guān)器件的位置，使其射極與電源的地相連，可得到正激變換電路。有復(fù)位繞組的單開關(guān)正激變換電路由電源、隔離變壓器、開關(guān)、二極管、濾波電感和電容、負(fù)載電阻等組成，如圖所示。

正激變換電路的工作波形

帶隔離的直流-直流變換電路反激變換電路

直流升降壓變換電路中儲能電感換成變壓器繞組，整理繞組電感的同名端和開關(guān)的位置后得到反激變換電路，由電源、隔離變壓器、開關(guān)、二極管VD1~VD2、濾波電感和電容、負(fù)載電阻等組成。

反激變換電路電流連續(xù)時(shí)工作波形

帶隔離的直流-直流變換電路推挽變換電路推挽變換電路實(shí)際上就是由兩個(gè)正激變換電路組成的，只是它們工作的相位相反。在每個(gè)周期中，兩個(gè)開關(guān)管交替導(dǎo)通和截止，在各自導(dǎo)通的半個(gè)周期內(nèi)，開關(guān)管分別將能量傳遞給負(fù)載，故稱為“推挽”變換電路。推挽變換電路的工作過程推挽變換電路的工作波形

帶隔離的直流-直流變換電路半橋變換電路

半橋變換電路由電源E、變壓器T、開關(guān)S1和S2、輸入電容C1和C2、二極管VD1和VD2、濾波電感L和電容C、負(fù)載電阻RL等組成。變壓器副邊具有中間抽頭，原邊繞組W1的匝數(shù)為N1；副邊繞組W21和W22匝數(shù)相等，均為N2，繞組間同名端。半橋變換電路的工作過程半橋變換電路的工作波形

帶隔離的直流-直流變換電路全橋變換電路全橋變換電路是由電源E、變壓器T、開關(guān)S1~S4、二極管VD1~VD4、濾波電感L和電容C、負(fù)載電阻RL等組成，如圖所示。全橋變換電路的工作過程全橋變換電路的工作波形第三節(jié)電力MOSFET的驅(qū)動電路

電力MOSFET的驅(qū)動電路電力MOSFET的驅(qū)動電路

帶過流保護(hù)的電力MOSFET驅(qū)動電路

第四節(jié)電力MOSFET應(yīng)用中共性問題

靜電防護(hù)

保護(hù)電路

其他保護(hù)電路直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)并接RCD緩沖電路并接RC緩沖電路

過電流保護(hù)

電路中負(fù)載切換、負(fù)載啟動沖擊等因素產(chǎn)生的過電流會超過最大漏極電流導(dǎo)致電力MOSFET損壞。器件過電流和短路保護(hù)與GTR基本類似。過熱保護(hù)

電力MOSFET應(yīng)用中結(jié)溫過高會使其損壞，因此必須安裝在散熱器上，使最大耗散功率和環(huán)境溫度在最壞情況下，結(jié)溫低于額定結(jié)溫。漏極電流一定時(shí)，器件的通態(tài)電阻與管壓降成正比、隨溫度的升高而增大。因此，通過檢測器件的管壓降來間接測量結(jié)溫，結(jié)溫高于設(shè)定值關(guān)斷電力MOSFET。靜電防護(hù)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)由于靜電感應(yīng)，電力MOSFET的柵極絕緣體易被靜電擊穿，工程應(yīng)用中注意以下幾點(diǎn)：（1）存放器件時(shí)，應(yīng)用金屬線將三個(gè)電極短路，放在抗靜電包裝袋、導(dǎo)電材料袋或金屬容器中，或用鋁箱包裹，不能存放在塑料盒或塑料袋中；（2）取用器件時(shí)，工作人員必須通過腕帶良好接地，且應(yīng)拿在管殼部分而不是引線部分；

PWM變換器的控制電路直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)

由于電力MOSFET內(nèi)部構(gòu)成寄生晶體管和二極管，通常若短接該寄生晶體管的基極和發(fā)射極就會造成器件的二次擊穿。寄生二極管恢復(fù)時(shí)間為150ns，當(dāng)器件耐壓超過150V、工作頻率大于4kHz時(shí)，應(yīng)避免使用寄生二極管。在要求使用二極管的場合，則需增設(shè)一只外部快恢復(fù)二極管，并使寄生二極管失去作用，增設(shè)電路如圖所示。增設(shè)快恢復(fù)二極管電路第五節(jié)軟開關(guān)技術(shù)

準(zhǔn)諧振變換器

硬開關(guān)與軟開關(guān)

零開關(guān)PWM變換器

零轉(zhuǎn)換PWM變換器軟開關(guān)技術(shù)硬開關(guān)與軟開關(guān)

開關(guān)過程中電壓、電流不為零，出了重疊，因此導(dǎo)致了開關(guān)損耗，而且電壓和電流的變化很快，波形出現(xiàn)了明顯的過沖，這導(dǎo)致了開關(guān)噪聲的產(chǎn)生，具有這樣開關(guān)過程的開關(guān)被稱為硬開關(guān)。開通過程關(guān)斷過程開通過程

關(guān)斷過程在開關(guān)過程前后引入諧振過程，開關(guān)開通前電壓先降為零或關(guān)斷前電流先降為零，消除開關(guān)過程中電流電壓的重疊，降低變化率，從而大大減小甚至消除損耗和開關(guān)噪聲，稱為軟開關(guān)電路。硬開關(guān)的開關(guān)過程軟開關(guān)的開關(guān)過程軟開關(guān)技術(shù)準(zhǔn)諧振變換器

工作波形電路圖軟開關(guān)技術(shù)零開關(guān)PWM變換器

準(zhǔn)諧振變換器利用諧振電感和諧振電容實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)，但要采用頻率調(diào)制方案。變化的開關(guān)頻率使得變換器的高頻變壓器、濾波電感的優(yōu)化設(shè)計(jì)變得十分困難，為此出現(xiàn)了恒頻控制的零開關(guān)PWM變換器。零開關(guān)PWM變換器可分為零電流開關(guān)PWM變換器和零電壓開關(guān)PWM變換器。在零電流準(zhǔn)諧振開關(guān)中增加輔助開關(guān)管構(gòu)成ZCSPWM開關(guān)，用ZCSPWM開關(guān)代替直流變換電路中的硬開關(guān)，可以得到相應(yīng)的ZCSPWM變換器。BuckZCSPWM變換器主電路BuckZCSPWM工作波形軟開關(guān)技術(shù)零轉(zhuǎn)換PWM變換器

零電流轉(zhuǎn)換PWM變換器的基本思路是：在基本的PWM變換器中增加一個(gè)輔助電路，在主開關(guān)管關(guān)斷前輔助電路開始工作，在主開關(guān)管關(guān)斷時(shí)使電流減小到零。當(dāng)主開關(guān)管零電流關(guān)斷后，輔助電路停止工作。

假定電路中所有器件均為理想的器件，升壓電感足夠大，在一個(gè)開關(guān)周期中，電流基本保持輸入電流不變；濾波電容足夠大，在開關(guān)周期中，其電壓基本保持為輸出電壓不變。電路定義的物理量與零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振變換器的相同。工作波形基本電路第六節(jié)有源功率因數(shù)校正技術(shù)

單相BoostAPFC變換器

功率因數(shù)校正技術(shù)APFC電路與DC/DC電路的對比

有源功率因數(shù)校正技術(shù)功率因數(shù)校正技術(shù)目前，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，開關(guān)電源技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)和民用的各個(gè)領(lǐng)域。然而，以開關(guān)電源為代表的各類電力電子裝備已成為主要的諧波污染，這就迫使電力電子技術(shù)領(lǐng)域的研究人員針對諧波污染問題給出有效的解決方法。

不可控容性整流電路及工作波形

開關(guān)電源的輸入級采用二極管構(gòu)成的不可控容性整流電路，電路優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高，缺點(diǎn)是輸入電流不是正弦波。二極管整流電路不具有對輸入電流的可控性，當(dāng)電源電壓高于電容電壓時(shí)，二極管導(dǎo)通，電源電壓低于電容電壓時(shí)，二極管不導(dǎo)通，輸入電流為零。有源功率因數(shù)校正技術(shù)單相BoostAPFC變換器

單相Boost型APFC變換器如圖所示，在單相橋式整流電路與濾波電容C之間加入Boost型變換器。交流電源經(jīng)射頻濾波器濾波后，由橋式整流實(shí)現(xiàn)AC/DC變換，輸出雙脈波電壓中的高次諧波由小電容C1濾波，在整流器和輸出濾波大電容C之間的Boost變換器實(shí)現(xiàn)升壓式DC-DC變換。控制電路采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，在穩(wěn)定輸出電壓的情況下，力求使經(jīng)過整流后的電流與整流后的電壓波形相同。單相Boost型APFC變換器電路有源功率因數(shù)校正技術(shù)APFC電路與DC/DC電路的對比

第七節(jié)電路仿真

仿真運(yùn)行及觀察仿真波形

設(shè)置仿真參數(shù)

設(shè)置模塊參數(shù)

建立仿真模型

仿真運(yùn)行及觀察仿真波形設(shè)置仿真參數(shù)設(shè)置模塊參數(shù)建立仿真模型電路仿真元件名稱數(shù)量具體參數(shù)提取路徑直流電壓源1100V電源/電壓/正弦函數(shù)模塊單相變壓器（反向）

功率電路/變壓器/單相變壓器（反向）MOSFET1

功率電路/開關(guān)/MOSFET二極管1

功率電路/開關(guān)/二極管電感1功率電路/RLC支路/電感電阻1功率電路/RLC支路/電阻電容1功率電路/RLC支路/電容電壓表1

其他/探頭/電壓探頭（節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)）電流表1

其他/其他/探頭/電流探頭反激變換電路仿真模型圖（1）新建一個(gè)空白的模型窗口

雙擊PSIM圖標(biāo)，在“文件”菜單欄下點(diǎn)擊“新建”，系統(tǒng)彈出空白的仿真界面。（2）搭建仿真電路在該電路仿真中將會使用到的元器件模型、數(shù)量及其提取路徑。參數(shù)設(shè)置對話框

仿真運(yùn)行及觀察仿真波形設(shè)置仿真參數(shù)建立仿真模型電路仿真

在對繪制好的模型進(jìn)行仿真前，還需要確定仿真的步長、時(shí)間和選取仿真的算法等。設(shè)置仿真參數(shù)可單擊“仿真”選項(xiàng)卡，下拉菜單中選擇“仿真控制”選項(xiàng)，在彈出的“SimulationControl”