《单相交流电机调速器设计》-项目五

项目五：开关电源

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5-1常见的PC主机开关电源。

认识电力场效应晶体管目录

认识电力晶体管12DC/DC变换电路3

开关电源的装配与调试4学习目标：

电力晶体管的结构和工作原理。电力晶体管的主要参数。电力晶体管的二次击穿与安全工作区。任务一电力晶体管

电力晶体管也称巨型晶体管（GiantTransistor，简称GTR）。是一种双极全控型三极管。一、电力晶体管的结构和工作原理（一）电力晶体管的结构NPN型晶体管的结构图和图形表示符号内部结构图形符号

三端三层器件，有两个PN结，分NPN型和PNP型。采用三重扩散台面型结构制成单管形式。结面积大、电流分布均匀，易散热；但电流增益低。

目前常用的电力晶体管器件有单管GTR、达林顿管和GTR模块三大系列。（二）电力晶体管GTR的工作原理1、单管GTR空穴流电子流c)EbEcibic=bibie=(1+b)ib在应用中，GTR一般采用共发射极接法。集电极电流ic与基极电流ib之比为

——GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力。当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为ic=

ib+Iceo

单管GTR的

值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。2、达林顿GTR

单管GTR的增益hFE相当低，典型值只有10左右。这样，要使晶体管饱和导通就需要很大的基极驱动电流。为了提高电流增益，可将两个晶体管组成达林顿复合管。

达林顿GTR由两个或多个晶体管复合组成，其等效电路如图所示。达林顿GTR的类型是由复合管中的驱动管决定的。

图中T1为驱动管，T2为输出管，故图（a）属NPN型，图（b）属PNP型。

达林顿GTR提高电流增益的原理：由图可知，驱动管T1的发射极电流IE1等于输出管T2的基极电流IB2，因此有：

从上述推导过程，可看出达林顿GTR的电流增益大大提高了，比单管GTR的电流增大了几十至几千倍。存在的问题：（1）由于驱动管T1的集电极和发射极分别与输出管T的集电极和基极连接，而T1管的集电极电位又永远高于它的发射极电位，因此T2管的集电结不会处于正向偏置状态。也就是说，达林顿GTR中驱动管T1可以饱和，而输出管T2却不会饱和，因而其导通管压降UCES较高，增加了导通损耗。（2）达林顿GTR的开关速度慢，其主要原因：无论GTR是导通或是关断，总是驱动管T1先动作，而后才是输出管T2动作，因此开关时间长。

为了加快V2管的开关速度，必须使V2与V1同时动作。为此加入了二极管VD1，当输入信号反向关断晶体管时，该输入的反向驱动信号经VD1也加到V2基极，VD1提供反向IB2的通路，加速了V2的关断过程。下图所示为实用的达林顿连接方式。3、GTR模块

目前生产的GTR模块可将多达6个互相绝缘的单元电路做在同一模块内，可很方便地组成三相桥式电路。有关GTR的参数很多，从应用的角度出发介绍主要参数。二、电力晶体管的主要参数1、电压参数（1）集基结击穿电压UCBO—发射极开路时，集－基极间所能承受的峰值电压值。

（2）集—射极击穿电压UCEO—基极开路时，集—射极所能承受的峰值电压值。

在产品目录中UCEO作为电压的额定值给出，但实际应用时的最高工作电压UM应低于UCEO。2、集电极电流额定值ICM

是指保证GTR结温不超过允许的最大结温和基极正向偏置时，GTR集电极所允许连续通过的直流电流值。通常集电极电流IC只用到ICM的一半左右。

3、电流增益hFE

它表示GTR的电流放大能力，为集电极电流和基极电流之比，即：

达林顿型GTR的值的范围为50～20000。4、最大耗散功率PCM

是指最高工作温度下允许的耗散功率。其大小由集电结工作电压和集电极电流的乘积决定。5、开关频率

电力晶体管做开关使用时，希望开通时间和关断时间越小越好。三、电力晶体管的二次击穿与安全工作区集电极最大允许电流最大耗散功率二次击穿功耗一次击穿——处于工作状态的GTR，当其集电极反偏电压UCE逐渐增大到最大电压BUCEO时，集电极电流IC急剧增大，但此时集电结的电压基本保持不变，称为～。二次击穿——是指器件发生一次击穿后，如果继续增高外接电压，则Ic继续增大，当Ic增大到某个临界点时，Uce会突然降低到一个较小的值，然后Ic迅速增大。这种现象称为～。最高工作电压GTR的安全工作区安全工作区SOA——是指在输出特性曲线上GTR能够安全运行的电压值、电流值的范围，如图所示。

安全工作区SOA分为正向偏置安全工作区、反向偏置安全工作区和短路安全工作区。电力MOSFET的结构和工作原理。电力MOSFET的主要参数。MOSFET的检测方法。任务二电力场效应晶体管学习目标：

电力场效应晶体管简称电力MOSFET（PowerMOSField-EffectTransistor），是单极型半导体器件，属于电压控制型，具有驱动功率小，控制线路简单、工作频率高的特点。一、电力MOSFET的结构和工作原理1、结构

电子技术介绍的MOS管是由一次扩散形成的器件，其栅极G、源极S和漏极D在芯片同一侧，导电沟道平行于芯片表面，是横向导电器件。要使其流过很大的电流，必须增大芯片面积和厚度，很难制成大功率管。

电力MOSFET是由两次扩散形成的器件。一般100V以下的器件是横向导电的，称为横向双扩散器件，简称LDMOS。而电压较高的器件制成垂直导电型的，称为垂直双扩散器件，简称VDMOS。这种器件是把漏极移到另一个表面上，使从漏极到源极的电流垂直于芯片表面流过，这样有利于加大电流电流密度和减小芯片面积。漏极栅极源极垂直导电提高耐压和耐流2、分类1）按导电沟道可分为P沟道和N沟道。2）按导电沟道产生的过程可分为：

耗尽型—当栅极电压为零时，漏源极之间就存在导电沟道。

增强型—当栅极电压大于零（N沟道）才存在导电沟道。

电力MOSFET主要是N沟道增强型。3、符号分为结型和绝缘栅型通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）简称电力MOSFET（PowerMOSFET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（StaticInductionTransistor——SIT）

特点——用栅极电压来控制漏极电流驱动电路简单，需要的驱动功率小。开关速度快，工作频率高。热稳定性优于GTR。电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。漏极栅极源极垂直导电提高耐压和耐流小功率MOS管是横向导电器件。电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（VerticalMOSFET）。按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。4、工作原理截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。

P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。

导电：在栅源极间加正电压UGS

当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。5、基本特性

(1)静态特性

漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。电力MOSFET的转移特性和输出特性

a)转移特性b)输出特性（2）漏极伏安特性010203050402468a)10203050400b)1020305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A截止区（对应于GTR的截止区）饱和区（对应于GTR的放大区）非饱和区（对应GTR的饱和区）工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。

漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。——电力MOSFET电压定额(1)

漏极电压UDS

(2)

漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM——电力MOSFET电流定额(3)

栅源电压UGS——

UGS

>20V将导致绝缘层击穿。除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有：

(4)

极间电容——极间电容CGS、CGD和CDS二、电力MOSFET的主要参数任务三DC/DC变换电路学习目标：

懂得开关电源主要器件的工作原理和特性。DC/DC变换电路的基本概念和工作原理。PC主机开关电源典型故障现象及检修方法。DC/DC变换电路就是将直流电压变换成固定的或可调的直流电压。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。图直流电压变换电路的工作原理及输出波形S-晶闸管或全控型电力电子器件；UD–恒定直流电压源；负载为感性负载。一、直流斩波器的工作原理

1、电路结构2、工作原理图直流电压变换电路的工作原理及输出波形（a）原理图（b）波形图一、直流斩波器的工作原理

式中:ton

——开关S的导通时间；

toff

——开关S的关断时间；

T＝ton＋toff

——变换电路周期；

D——变换电路的占空比。一、直流斩波器的工作原理

可见，变换电路的输出电压的平均值UAV受电路工作率D（又称为占空比）的控制，通过改变D的值即可改变电路的输出电压平均值。欲改变电路的占空比，可以采用以下三种方法。

（1）脉冲宽度调制（PWM）

脉冲宽度调制也称定频调宽式,保持电路频率f＝1/T不变，即工作周期T恒定，只改变开关S的导通时间ton。（2）频率调制（PFM）

频率调制也称定宽调频式,保持开关S的导通时间ton不变，改变电路周期T（即改变电路的频率）。

一、直流斩波器的工作原理

（3）混合调制

脉冲宽度（即ton）与脉冲周期T同时改变，采取这种调制方法，输出直流平均电压的可调范围较宽，但控制电路较复杂。在这三种方法中，除在输出电压调节范围要求较宽时采用混合调制外，一般都采用频率调制或脉宽调制，原因是它们的控制电路比较简单。又由于当输出电压的调节范围要求较大时，如果采用频率调制，则势必要求频率在一个较宽的范围内变化，这就使得后续滤波器电路的设计比较困难，如果负载是直流电动机，在输出电压较低的情况下，较长的关断时间会使流过电机的电流断续，使直流电动机的运转性能变差，因此在直流变换电路中，比较常用的还是脉冲宽度调制。

一、直流斩波器的工作原理

直流电压变换电路按照：

1、按稳压控制方式可分为脉冲宽度调制（PWM）和脉冲频率调制（PFM）直流变换电路；

2、按变换电路的功能分类有降压变换电路（Buck）、升压变换电路（Boost）、升降压变换电路（BuckBoost）、库克变换电路（Cuk）和全桥直流变换电路；

3、按直流电源和负载交换能量的形式又可分为单象限直流电压变换电路和二象限直流电压变换电路。

必须注意的是，在直流开关稳压电源中，直流电压变换电路常常采用变压器实现电隔离，而在直流电机的调速装置中可不用变压器隔离。

二、直流电压变换电路的分类全控型器件续流二极管电感线圈1、电路结构

降压斩波电路又称为Buck变换器，它是一种对输入电压进行降压变换的直流斩波器,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。（一）降压斩波电路三、基本直流电压变换电路2、工作原理保持输出电压储存电能1、电路结构（二）升压斩波电路

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式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，储能电感与负载呈串联形式连接。2、工作原理假设L和C值很大。V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。动态演示。0iGE0ioI1a)

电路图b)

波形升压斩波动画3、数量关系设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：化简得：

T/toff>1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。

——升压比；升压比的倒数记作b，即 。b和a的关系：电压升高得原因：电感L储能使电压泵升的作用

电容C可将输出电压保持住如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即：。与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。输出电流的平均值Io为：电源电流的平均值I1为：

设L值很大，C值也很大。使电感电流iL和电容电压即负载电压uo基本为恒值。升降压斩波电路及其波形（三）升降压斩波电路1、电路结构稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即