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1、 电力电子技术电力电子技术2010年6月长沙民政职业技术学院电子信息工程系长沙民政职业技术学院电子信息工程系模块三模块三 开关电源开关电源开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。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。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这为开关电源提供了广阔的发展空间。如图是常见的PC主机开关电源。长沙民政职业技术学院电子信息工程系长沙民政职业技术学院电子信息工程系本模块分解成认识大功率晶体管（GTR）和功率场效应晶体管（MOSFET）、开关电源主电路两个项目，通过学
2、习相关的知识和实施相应的项目，使学生在完成本模块的项目后能够：1认识大功率晶体管GTR和功率场效应晶体管MOSFET。2会选择和测试大功率晶体管GTR和功率场效应晶体管MOSFET。3熟悉DC/DC变换电路的基本概念。4能分析DC/DC变换电路的工作原理。5在小组合作实施项目过程中培养与人合作的精神。6学会分析问题和解决问题的方法。7强化成本核算和安全用电意识、规范职业行为。长沙民政职业技术学院电子信息工程系长沙民政职业技术学院电子信息工程系项目五 认识大功率晶体管（GTR）和功率场效应晶体管（MOSFET）【学习目标学习目标】观察大功率晶体管GTR和功率场效应晶体管MOSFET的外形，让同学
3、们认识这两种器件的外形结构、端子及型号。通过测试，会判别器件的端子、判断器件的好坏。通过选择器件，掌握器件的基本参数、具备成本核算意识。长沙民政职业技术学院电子信息工程系长沙民政职业技术学院电子信息工程系一、项目分析一、项目分析开关电源是通过控制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。那么，常用的开关器件有哪些？这些开关管在什么条件下导通？在什么情况下截止？它们的导通和截止是如何控制的？有哪些需要注意的问题？下面来介绍相关知识。长沙民政职业技术学院电子信息工程系长沙民政职业技术学院电子信息工程系二、相关知识二、相关知识（一）大功率晶体管
4、（一）大功率晶体管（GTR）1大功率晶体管的结构和工作原理大功率晶体管的结构和工作原理 vv 三端三端三端三端三层三层三层三层器件，有两个器件，有两个器件，有两个器件，有两个PNPN结，分结，分结，分结，分NPNNPN型和型和型和型和PNPPNP型。型。型。型。vv 采用三重扩散台面型结构制成单管形式。结面积采用三重扩散台面型结构制成单管形式。结面积采用三重扩散台面型结构制成单管形式。结面积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。大、电流分布均匀，易散热；但电流增益低。大、电流分布均匀，易散热；但电流增益低。大、电流分布均匀，易散热；但电流增益低。图形
5、符号图形符号图形符号图形符号长沙民政职业技术学院电子信息工程系长沙民政职业技术学院电子信息工程系长沙民政职业技术学院电子信息工程系长沙民政职业技术学院电子信息工程系2GTR的特性与主要参数的特性与主要参数t tonon=t td d+t+tr r开通时间开通时间开通时间开通时间关断时间关断时间关断时间关断时间t toffoff=t ts s+t+tf ft td d延迟时间延迟时间延迟时间延迟时间t tr r上升时间上升时间上升时间上升时间t ts s存储时间存储时间存储时间存储时间t tf f下降时间下降时间下降时间下降时间长沙民政职业技术学院电子信息工程系长沙民政职业技术学院电子信息工程系
6、GTRGTR的的的的安全工作区安全工作区安全工作区安全工作区最高工作电压最高工作电压最高工作电压最高工作电压集电极最大允集电极最大允集电极最大允集电极最大允许电流许电流许电流许电流最大耗散功率最大耗散功率最大耗散功率最大耗散功率二次二次二次二次击穿功耗击穿功耗击穿功耗击穿功耗长沙民政职业技术学院电子信息工程系长沙民政职业技术学院电子信息工程系GTR主要参数一般指极限参数，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。1）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。U（BR）CBO：发射极开路时，集电极和基极间
7、的反向击穿电压。U（BR）CEO：基极开路时，集电极和发射极之间的击穿电压。U（BR）CER：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。U（BR）CES：当R为0，即发射极和基极短路，用BUces表示其击穿电压。U（BR）CEX：发射结反向偏置时，集电极和发射极之间的击穿电压。其中 U（BR）CBO U（BR）CEX U（BR）CES U（BR）CER U（BR）CEO，实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比U（BR）CEO低得多。长沙民政职业技术学院电子信息工程系长沙民政职业技术学院电子信息工程系2）集电极最大允许电流IcM。GTR
8、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。3）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
9、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。4）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。长沙民政职业技术学院电子信息工程系长沙民政职业技术学院电子信息工程系4 GTR的驱动与保护的驱动与保护（1）GTR基极驱动电路基极驱动电路 1）对基极驱动电路的要求。主电路与控制电路间的电隔离。在使GTR导通时，基极正向驱动电流应有足够陡的前沿，并有一定幅度的强制电流，以加速开通过程，减小开通损耗，如图。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
10、，应向基极提供足够大的反向基极电流（见图），以加快关断速度，减小关断损耗。应有较强的抗干扰能力，并有一定的保护功能。长沙民政职业技术学院电子信息工程系长沙民政职业技术学院电子信息工程系2）基极驱动电路 长沙民政职业技术学院电子信息工程系长沙民政职业技术学院电子信息工程系（2）GTR的保护电路的保护电路 长沙民政职业技术学院电子信息工程系长沙民政职业技术学院电子信息工程系（二）功率场效应晶体管（二）功率场效应晶体管1功率功率MOSFET的结构及工作原理的结构及工作原理（1）结构）结构长沙民政职业技术学院电子信息工程系长沙民政职业技术学院电子信息工程系外形 长沙民政职业技术学院电子信息工程系长沙民
11、政职业技术学院电子信息工程系（2）工作原理）工作原理当D、S加正电压（漏极为正，源极为负），UGS=0时，P体区和N漏区的PN结反偏，D、S之间无电流通过；如果在G、S之间加一正电压UGS，由于栅极是绝缘的，所以不会有电流流过，但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的P区表面。当UGS大于某一电压UT时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，从而使P型半导体反型成N型半导体而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。电压UT称开启电压或阀值电压，UGS超过UT越多，导电能力越强，漏极电流越大。长沙民政职业技术学院电子信息工程
12、系长沙民政职业技术学院电子信息工程系2功率功率MOSFET的特性与参数的特性与参数（1）功率）功率MOSFET的特性的特性 长沙民政职业技术学院电子信息工程系长沙民政职业技术学院电子信息工程系长沙民政职业技术学院电子信息工程系长沙民政职业技术学院电子信息工程系（2）功率）功率MOSFET的主要参数的主要参数1）漏极电压UDS。它就是MOSFET的额定电压，选用时必须留有较大安全余量。2）漏极最大允许电流IDM。它就是MOSFET的额定电流，其大小主要受管子的温升限制。3）栅源电压UGS。栅极与源极之间的绝缘层很薄，承受电压很低，一般不得超过20V，否则绝缘层可能被击穿而损坏，使用中应加以注意
13、长沙民政职业技术学院电子信息工程系长沙民政职业技术学院电子信息工程系3功率功率MOSFET的驱动与保护的驱动与保护（1）功率）功率MOSFET的驱动的驱动1）对栅极驱动电路的要求。能向栅极提供需要的栅压，以保证可靠开通和关断MOSFET。减小驱动电路的输出电阻，以提高栅极充放电速度，从而提高MOSFET的开关速度。主电路与控制电路需要电的隔离。应具有较强的抗干扰能力，这是由于MOSFET通常工作频率高、输入电阻大、易被干扰的缘故。长沙民政职业技术学院电子信息工程系长沙民政职业技术学院电子信息工程系理想的栅极控制电压波形，如图 长沙民政职业技术学院电子信息工程系长沙民政职业技术学院电子信息工程系
14、2）栅极驱动电路举例）栅极驱动电路举例 长沙民政职业技术学院电子信息工程系长沙民政职业技术学院电子信息工程系（2）MOSFET的保护电路的保护电路 1)防止静电击穿。2)防止偶然性振荡损坏器件。3)防止过电压。4)防止过电流。5)消除寄生晶体管和二极管的影响。长沙民政职业技术学院电子信息工程系长沙民政职业技术学院电子信息工程系三、项目实施三、项目实施（一）认识（一）认识GTR和和MOSFET外形外形 1大功率晶体管大功率晶体管GTR 长沙民政职业技术学院电子信息工程系长沙民政职业技术学院电子信息工程系2功率场效应晶体管功率场效应晶体管MOSFET功率场效应晶体管的外形如图所示。大多数功率场效应
15、晶体管的管脚位置排列顺序是相同的，即从场效应晶体管的底部（管体的背面）看，按逆时针方向依次为漏极D、源极S、栅极G1和栅极G2。因此，只要用万用表测出漏极D和源极S，即可找出两个栅极。长沙民政职业技术学院电子信息工程系长沙民政职业技术学院电子信息工程系（二）解释（二）解释GTR和和MOSFET型号的含义型号的含义1大功率晶体管大功率晶体管GTR型号的含义型号的含义 2功率场效应晶体管功率场效应晶体管MOSFET型号的含义型号的含义长沙民政职业技术学院电子信息工程系长沙民政职业技术学院电子信息工程系（三）（三）GTR和和MOSFET的简单测试的简单测试1.大功率晶体管的检测方法大功率晶体管的检测方法（1）用万用表判别大功率晶体管的电极和类型（2）通过测量极间电阻判断大功率晶体管的好坏（3）检测大功率晶体管放大能力的简单方法（4）检测大功率晶体管的穿透电流ICEO（5）测量共发射极直流电流放大系数hFE（6）测量饱和压降Uces及Ubes2功率场效应晶体管的检测方法功率场效应晶体管的检测方法功率场效应管电极判别(2)判别功率场效应管好坏的简单方法长沙民政职业技术学院电子信息工程系长沙民政职业技术学院电子信息工程系（四）项目实施标准（四）项目实施标准 长沙民政职业技术学院电子信息工程系长沙民政职业技术学院电子信息工程系长沙民政职业技术学院电子信息工程系长沙民政职业技术学院电子信息工程系