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    開關(guān)電源的原理及應(yīng)用,開關(guān)電源設(shè)計原理入門
  • 開關(guān)電源的原理及應(yīng)用,開關(guān)電源設(shè)計原理入門
  •   發(fā)布日期: 2021-08-16  瀏覽次數(shù): 1,536
    第一部分:功率電子器件 
    第一節(jié):功率電子器件及其應(yīng)用要求
    功率電子器件大量被應(yīng)用于電源、伺服驅(qū)動、變頻器、電機保護器等功率電子設(shè)備。 這些設(shè)備都是自動化系統(tǒng)中必不可少的,因此,我們了解它們是必要的。
    近年來,隨著應(yīng)用日益高速發(fā)展的需求,推動了功率電子器件的制造工藝的研究和 發(fā)展,功率電子器件有了飛躍性的進步。器件的類型朝多元化發(fā)展,性能也越來越改善。
    大致來講,功率器件的發(fā)展,體現(xiàn)在如下方面:
    1. 器件能夠快速恢復(fù),以滿足越來越高的速度需要。以開關(guān)電源為例,采用雙極型
    晶體管時,速度可以到幾十千赫;使用 MOSFET 和 IGBT,可以到幾百千赫;而采用 了諧振技術(shù)的開關(guān)電源,則可以達到兆赫以上。
    2. 通態(tài)壓降(正向壓降)降低。這可以減少器件損耗,有利于提高速度,減小器件 體積。
    3. 電流控制能力增大。電流能力的增大和速度的提高是一對矛盾,目前最大電流控 制能力,特別是在電力設(shè)備方面,還沒有器件能完全替代可控硅。
    4. 額定電壓:耐壓高。耐壓和電流都是體現(xiàn)驅(qū)動能力的重要參數(shù),特別對電力系統(tǒng), 這顯得非常重要。
    5. 溫度與功耗。這是一個綜合性的參數(shù),它制約了電流能力、開關(guān)速度等能力的提 高。目前有兩個方向解決這個問題,一是繼續(xù)提高功率器件的品質(zhì),二是改進控 制技術(shù)來降低器件功耗,比如諧振式開關(guān)電源。
    總體來講,從耐壓、電流能力看,可控硅目前仍然是最高的,在某些特定場合,仍 然要使用大電流、高耐壓的可控硅。但一般的工業(yè)自動化場合,功率電子器件已越來越 多地使用 MOSFET 和 IGBT,特別是 IGBT 獲得了更多的使用,開始全面取代可控硅來做為 新型的功率控制器件。

    第二節(jié):功率電子器件概覽 
    一. 整流二極管:
    二極管是功率電子系統(tǒng)中不可或缺的器件,用于整流、續(xù)流等。目前比較多地使用 如下三種選擇:
    1. 高效快速恢復(fù)二極管。壓降 0.8-1.2V,適合小功率,12V 左右電源。
    2. 高效超快速二極管。0.8-1.2V,適合小功率,12V 左右電源。
    3. 肖特基勢壘整流二極管SBD。0.4V,適合 5V等低壓電源。缺點是其電阻和耐壓
    的平方成正比,所以耐壓低(200V以下),反向漏電流較大,易熱擊穿。但速度 比較快,通態(tài)壓降低。
    目前 SBD 的研究前沿,已經(jīng)超過 1 萬伏。 
    二.大功率晶體管GTR
        分為:
    單管形式。電流系數(shù):10-30。 
    雙管形式——達林頓管。電流倍數(shù):
    100-1000。飽和壓降大,速度慢。下圖虛線部 分即是達林頓管。

    圖1-1:達林頓管應(yīng)用
    實際比較常用的是達林頓模塊,它把 GTR、續(xù)流二極管、輔助電路做到
    一個模塊內(nèi)。在較早期的功率電子設(shè)備中,比較多地使用了這種器件。圖 1-2 是這種器件的內(nèi)部典型結(jié)構(gòu)。
     
     
     
     
     
    圖1-2:達林頓模塊電路典型結(jié)構(gòu)
    兩個二極管左側(cè)是加速二極管,右側(cè)為續(xù)流二極管。加速二極管的原理是引進了電 流串聯(lián)正反饋,達到加速的目的。
    這種器件的制造水平是 1800V/800A/2KHz、600V/3A/100KHz 左右(參考)。 
    三. 可控硅 SCR
    可控硅在大電流、高耐壓場合還是必須的,但在常規(guī)工業(yè)控制的低壓、中小電流控 制中,已逐步被新型器件取代。
    目前的研制水平在 12KV/8000A 左右(參考)。 
    由于可控硅換流電路復(fù)雜,逐步開發(fā)了門極關(guān)斷晶閘管GTO。制造水平達到 8KV/8KA,
    頻率為 1KHz左右。
    無論是 SCR 還是 GTO,控制電路都過于復(fù)雜,特別是需要龐大的吸收電路。而且,
    速度低,因此限制了它的應(yīng)用范圍拓寬。 
    集成門極換流晶閘管IGCT和MOS關(guān)斷晶閘管之類的器件在控制門極前使用了MOS柵,
    從而達到硬關(guān)斷能力。 

    四. 功率 MOSFET
    又叫功率場效應(yīng)管或者功率場控晶體管。 
    其特點是驅(qū)動功率小,速度高,安全工作區(qū)寬。但高壓時,導通電阻與電壓的平方
    成正比,因而提高耐壓和降低高壓阻抗困難。 
    適合低壓 100V 以下,是比較理想的器件。
    目前的研制水平在 1000V/65A 左右(參考)。商業(yè)化的產(chǎn)品達到 60V/200A/2MHz、 500V/50A/100KHz。是目前速度最快的功率器件。
    五. IGBT
    又叫絕緣柵雙極型晶體管。
    這種器件的特點是集 MOSFET 與 GTR 的優(yōu)點于一身。輸入阻抗高,速度快,熱穩(wěn)定性
    好。通態(tài)電壓低,耐壓高,電流大。 
     目前這種器件的兩個方向:一是朝大功率,二是朝高速度發(fā)展。大功率 IGBT 模塊達 到 1200-1800A/1800-3300V 的水平(參考)。速度在中等電壓區(qū)域(370-600V),可達 到 150-180KHz。
    它的電流密度比 MOSFET 大,芯片面積只有 MOSFET 的 40%。但速度比 MOSFET 低。
    盡管電力電子器件發(fā)展過程遠比我們現(xiàn)在描述的復(fù)雜,但是 MOSFET 和 IGBT,特別 是 IGBT 已經(jīng)成為現(xiàn)代功率電子器件的主流。因此,我們下面的重點也是這兩種器件。 

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