第4章-开关电源主要元器件.ppt

电源技术 张建生 主编 第四章 开关电源主要元器件 4.1二极管 4.2功率晶体管 4.3功率MOS场效应晶体管 4.4绝缘栅双极晶体管 4.5光电耦合器 4.6精密可调基准电源TL431 4.7开关电源中使用的厚膜电路 4.8开关电源中使用的电容器 4.1 二极管 在开关电源中，可以使用以下三种类型的整流二极管：高效快速恢复二极管、高效超快速二极管和肖特基势垒整流二极管。使用的整流二极管应具有正向压降低、快速恢复的特点，还应具有足够的输出功率。 4.1 二极管 图4.1 快速恢复型与软恢复型二极管的特性比较 4.1 二极管 肖特基整流二极管的缺点： ①反向截止电压的承受能力较低，目前约为100V。 ②反向漏电流较大，使得器件比其他类型的整流器件更容易受热击穿。 4.2 功率晶体管 晶体管按其工作原理分为双极型晶体管与单极型晶体管，按其结构分为单管形式与复合形式(达林顿结构)。 图4.2 达林顿结构 4.2.1 功率晶体管的工作状态 功率晶体管的工作状态可分为截止、饱和与放大三个区域，功率晶体管主要作为功率控制用的开关元件，工作于截止与饱和两种状态。 4.2.1 功率晶体管的工作状态 图4.3 功率晶体管的工作模式 4.2.1 功率晶体管的工作状态 图4.4 电阻性负载时功率晶体管开关工作时试验电路与波形 4.2.1 功率晶体管的工作状态 图4.5感性负载时功率晶体管开关工作时试验电路与波形 4.2.2 额定电流 额定电流值没有特别规定，一般由晶体管内部导线允许电流值决定。规定集电极电流最大值IC(max)是为了保证工作正常不致引起大电流效应，避免造成管子电性能变差乃至使管子破坏。而管子的脉冲状电流可以允许为功率晶体管IC(max)的2～3倍。 4.2.3 安全工作区 安全工作区(SOA)表示晶体管安全工作时的电压、电流的范围，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。 正向偏置安全工作区 反向偏置安全工作区 短路安全工作区 4.2.4 功率晶体管的特性 功率晶体管一般为开关工作状态，而且工作电流较大。 瞬态热阻特性表示功率晶体管消耗单位功率时，PN结温与外壳温之间关系 4.3 功率MOS场效应晶体管 MOSFFT管的三端引脚为：漏极、栅极和源极。按照载流子的性质，MOSFET可分为N沟道和P沟道两种类型。 图4.6 功率MOSFET的符号 4.3.1 MOSFET管的主要特点 (1)开关速度快。 (2)高输入阻抗和低电平驱动。 (3)安全工作区宽。 (4)热稳定性高。 (5)易于并联使用，可简单并联，以增加其电流容量。 (6)管内并联漏源二极管。 4.3.2 功率MOSFET管的驱动电路 图4.7 MOSFET的驱动电路 4.3.3 MOSFET的选择与保护 在设计MOSFET电路时应注意以下几点: 应尽量减少与MOSFET各管脚接线的导线长度，特别是栅极引线长度，如果实在无法减少，可以用小磁环或一个小电阻R1与MOSFET管栅极串联。使用这两个元件应尽量靠近开关管的栅极，以消除寄生振荡。 由于MOSFET具有很高的输入阻抗，为了避免电路正反馈引起的振荡，驱动源的阻抗必须很低。当MOSFET的直流输入阻抗很高时，它的动态阻抗(交流输入阻抗)会随着工作频率的变化而变化。 4.4 绝缘栅双极晶体管4.4.1 概述 绝缘栅双极晶体管IGBT(Insulted Gate Bipolaar Transistor)结合了MOSFET与GTR的优点。既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱功电路简单的特点，又具有通态电压低、耐压高和承受电流大等优点。 4.4.1 概述 图4.9 IGBT结构、等效电路和图形符号 4.4.2 IGBT的输出特性和主要参数 图4.10 典型的IGBT输出特性曲线 4.4.2 IGBT的输出特性和主要参数 IGBT的主要参数： (1)集电极发射极最高电压BVCES是指栅极与发射极短接时，C、E间允许的最大电压，即通常所指的额定电压。 (2)集电极最大电流ICM是指管子在安全温度范围内集电极最大允许通过的直流电流，通常IGBT的安全温度为壳温85℃。 (3)集电极通态压降UCE(ON)指在一定的集电极电流下，C、E间的饱和压降，在饱和导通时，UCE（ON）与集电极电流近似成正比。 4.4.2 IGBT的输出特性和主要参数 (4)阈值电压UGE(th)是IGBT实现电导调制而导通的最低G、E间电压。25℃时UGE(th)的范围在2～6v之间，UGE(th)值随温度升高略有下降，温度每升高1℃时，其值约下降5mV。 (5)开通时间TON即为IGBT在开通过程中从驱动电压UGE脉