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文檔簡(jiǎn)介
項(xiàng)目四
開關(guān)電源控制電路1)概念
開關(guān)電源:就是利用電力電子器件(如全控器件:電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)管、絕緣柵雙極型晶體管等),將恒定的直流電源,通過控制器件的“接通”和“關(guān)斷”時(shí)間,實(shí)現(xiàn)輸出直流電壓調(diào)節(jié)。2)任務(wù):1、器件學(xué)習(xí)
三種全控器件(GTR,電力MOSFET,IGBT)2、變流技術(shù)學(xué)習(xí)
斬波電路任務(wù)一、全控型器件學(xué)習(xí)
1、
電力晶體管
2、
電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管
3、
絕緣柵雙極晶體管既可控制開通又可控制關(guān)斷的器件全控型器件通常分為電流控制型與電壓控制型。電流控制型:從控制極注入或抽出電流信號(hào)控制器件通斷,如門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、電力晶體管(GTR)、集成門極換流晶閘管(IGCT)等。
特點(diǎn):控制功率較大、控制電路復(fù)雜、工作頻率低。電壓控制型:從控制極以電壓信號(hào)控制器件通斷,如電力場(chǎng)效應(yīng)管(簡(jiǎn)稱功率MOSFET)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等。
特點(diǎn):控制功率小、控制電路簡(jiǎn)單、工作頻率較高。1、
電力晶體管■電力晶體管(GiantTransistor——GTR)按英文直譯為巨型晶體管,是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管(BipolarJunctionTransistor——BJT)。在電力電子技術(shù)范圍內(nèi),GTR和BJT兩名字等效。
在20世紀(jì)80年代以來,在中小功率范圍GTR取代晶閘管,但目前GTR大多已被IGBT和電力場(chǎng)效應(yīng)管取代。■GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理
◆與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。
◆對(duì)于GTR來說,最主要的特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。
優(yōu)點(diǎn):具有自關(guān)斷能力,飽和壓降低、開關(guān)時(shí)間短、安全工作區(qū)寬,功率容量大。
缺點(diǎn):驅(qū)動(dòng)電流較大、耐浪涌電流能力差、易受二次擊穿而損壞。
目前,電力晶體管常用的外形有四種:鐵殼封裝、塑殼封裝、模塊封裝和集成電路封裝。封裝的外形如圖1-17所示
(a)鐵殼封裝(b)塑殼封裝(c)模塊封裝(d)電路封1、電力晶體管(GTR)5/89?單管的GTR結(jié)構(gòu)與普通晶體管類似,它由三層半導(dǎo)體(分別引出集電極、基極和發(fā)射極)形成的兩個(gè)PN結(jié)(集電結(jié)和發(fā)射結(jié))構(gòu)成,多采用NPN結(jié)構(gòu)。?
在應(yīng)用中,GTR一般采用共發(fā)射極接法。
GTR的電流放大系數(shù)
=IC/IB,類似信息電子技術(shù),
而GTR的說明書中通常給出直流電流增益hFE,,故一般認(rèn)為hFE約等于,單管GTR的
值比信息處理的晶體管小的多,通常為10左右,為獲得大電流,GTR通常采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)增大電流增益。GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng)a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號(hào)c)內(nèi)部載流子的流動(dòng)+表示高摻雜濃度,-表示低摻雜濃度1)GTR的結(jié)構(gòu)2)電力晶體管的類型(1)單管電力晶體管可靠性高,能改善器件的二次擊穿特性,易于提高耐壓能力,并易于散出內(nèi)部熱量。(2)達(dá)林頓電力晶體管它是由2個(gè)或多個(gè)晶體管復(fù)合而成,可以是PNP型也可以是NPN型,其性質(zhì)取決于驅(qū)動(dòng)管,它與普通復(fù)合三極管相似。如圖1-19所示達(dá)林頓電力晶體管的電流放大倍數(shù)很大,可以達(dá)到幾十至幾千倍。雖然達(dá)林頓電力晶體管大大提高了電流放大倍數(shù),但其飽和管壓降卻增加了,增大了導(dǎo)通損耗,同時(shí)降低了管子的工作速度。
(a)NPN-NPN型達(dá)林頓結(jié)構(gòu)(b)PNP-NPN型達(dá)林頓結(jié)構(gòu)(3)電力晶體管模塊目前生產(chǎn)的GTR模塊,可將多達(dá)6個(gè)相互絕緣的單元電路制在同一個(gè)模塊內(nèi),便于組成三相橋電路。這樣,大大提高了器件的集成度、工作的可靠性和性能價(jià)格比,同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了小型輕量化。3)GTR的基本特性(靜態(tài)和動(dòng)態(tài))
(1)靜態(tài)特性
?GTR在共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性分為截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)三個(gè)區(qū)域。與普通晶體管類似。
注意:在電力電子電路中,GTR工作在開關(guān)狀態(tài),即工作在飽和區(qū)或截止區(qū)。
?但在開關(guān)過程中,即在飽和區(qū)和截止區(qū)之間過渡時(shí),一般要經(jīng)過放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性(2)動(dòng)態(tài)特性
?開通過程
√開通時(shí)間ton為延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr之和。
?關(guān)斷過程√需要經(jīng)過儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf,二者之和為關(guān)斷時(shí)間toff。√要加快關(guān)斷速度,可減小導(dǎo)通時(shí)的飽和深度以減小儲(chǔ)存的載流子,從而可縮短ts,或增大基極抽取負(fù)電流Ib2的幅值和負(fù)偏壓,負(fù)面影響,減小飽和深度會(huì)使飽和導(dǎo)通壓降Uces增大而增大通態(tài)損耗。?比較:GTR的開關(guān)時(shí)間在幾微秒以內(nèi),比晶閘管短很多。ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtdGTR的開通和關(guān)斷過程電流波形主要是由發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容和集電結(jié)勢(shì)壘電容充電產(chǎn)生的。
是用來除去飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存在基區(qū)的載流子的,是關(guān)斷時(shí)間的主要部分。4)GTR的主要參數(shù)除放大倍數(shù)
off,開通時(shí)間ton,關(guān)斷時(shí)間toff,對(duì)于GTR主要關(guān)心的還有:1)最高工作電壓
因GTR上所加的電壓超過規(guī)定值時(shí),就會(huì)發(fā)生擊穿。
實(shí)際使用時(shí),為確保安全,最高工作電壓要比BUceo(基極開路時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓)低得多。2)集電極最大允許電流ICM
通常規(guī)定直流電流放大系數(shù)hFE下降到規(guī)定值的1/2~1/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的集電極最大允許電流。實(shí)際使用時(shí)要留有更大裕量,只能用到ICM的一半或稍多一點(diǎn)。3)集電極最大耗散功率PCM指在最高工作溫度下允許的耗散功率。(產(chǎn)品說明書中在給出PCM時(shí)總是同時(shí)給出殼溫TC,這就是最高工作溫度)2、
電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管●如信息電子技術(shù)中所學(xué)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)一樣,電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管也分為結(jié)型和絕緣柵型,通常主要指絕緣柵型中的MOS型(MetalOxideSemiconductorFET),簡(jiǎn)稱電力MOSFET(PowerMOSFET)?!窠Y(jié)型電力場(chǎng)效應(yīng)管一般稱為靜電感應(yīng)晶體管(SIT)●電力MOSFET是用柵極電壓來控制漏極電流。因此有以下顯著
特點(diǎn):
1)驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單,需要的驅(qū)動(dòng)功率小。
2)具有自關(guān)斷能力,開關(guān)速度快,工作頻率高。
3)無二次擊穿,熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。
4)但電流容量小,耐壓低,一般只適應(yīng)于功率不超過10kW的電力電子裝置。
電力MOSFET1)電力MOSFET的種類
?按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道,同時(shí)又有耗盡型和增強(qiáng)型。?當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道的稱為耗盡型。
?對(duì)于N(P)溝道器件,當(dāng)柵極電壓大于(小于)零時(shí)漏源極之間才存在導(dǎo)電溝道的稱為增強(qiáng)型。
?在電力MOSFET中,主要是N溝道增強(qiáng)型。
?它是單極型的電壓控制型器件。
?結(jié)構(gòu)上與小功率MOS管有較大區(qū)別,小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?,而目前電力MOSFET大都采用了垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu),故又稱為VMOSFET,這大大提高了器件的耐壓和耐電流能力。?按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的不同,又分為利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET(VerticalV-grooveMOSFET)和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET(VerticalDouble-diffusedMOSFET)。這里主要以VDMOSFET器件為例進(jìn)行討論。?電力MOSFET也是多元集成結(jié)構(gòu),由許多小MOSFET元組成。電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)N溝道增強(qiáng)型VDMOS單元截面圖b)增強(qiáng)型電氣圖形符號(hào)2)電力MOSFET的結(jié)構(gòu)3)電力MOSFET的工作原理:關(guān)開
?截止:當(dāng)漏源極間接正電壓,柵極和源極間電壓為零時(shí),漏源極之間無電流流過。
?導(dǎo)通:
√在柵極和源極之間加一正電壓UGS,當(dāng)UGS大于某一電壓值UT(開啟電壓或閾值電壓,一般為3V左右)時(shí),漏極和源極導(dǎo)電。
√控制電壓UGS超過UT越多,導(dǎo)電能力越強(qiáng),漏極電流ID越大。(1)靜態(tài)特性即轉(zhuǎn)移特性:指漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系,反映了輸入電壓和輸出電流的關(guān)系。
√ID較大時(shí),ID與UGS的關(guān)系近似線性,曲線的斜率被定義為電力MOSFET的跨導(dǎo)Gfs,即
電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性
a)轉(zhuǎn)移特性(2-11)√可見,它是電壓控制型器件。4)電力MOSFET的基本特性?輸出特性
√是指電力MOSFET的ID與UDS間特性曲線?!谭譃槿齻€(gè)區(qū):截止區(qū)(對(duì)應(yīng)于GTR的截止區(qū))、飽和區(qū)(對(duì)應(yīng)于GTR的放大區(qū))、非飽和區(qū)(對(duì)應(yīng)于GTR的飽和區(qū))。
飽和是指漏源電壓增加時(shí)漏極電流不再增加,
非飽和是指漏源電壓增加時(shí)漏極電流相應(yīng)增加。
√電力MOSFET工作在開關(guān)狀態(tài),即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。?由于本身結(jié)構(gòu)所致,漏極和源極之間形成了一個(gè)與MOSFET反向并聯(lián)的寄生二極管,使用時(shí)要注意。?通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù),對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利。電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性
b)輸出特性
(2)動(dòng)態(tài)特性
?開通過程(ton)√開通延遲時(shí)間td(on):從
Up前沿到開始出現(xiàn)iD,達(dá)到開啟電壓UT?!屉娏魃仙龝r(shí)間tr:電流從
0上升到穩(wěn)態(tài)值。
開通時(shí)間ton=td(on)+tr
?關(guān)斷過程
√關(guān)斷延遲時(shí)間td(off):從
Up下降沿到iD
開始下降,
這段時(shí)間為td(off)
√電流下降時(shí)間tf:iD從穩(wěn)態(tài)值減小到0的時(shí)間。
關(guān)斷時(shí)間toff=td(off)+tf
iDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf電力MOSFET的開關(guān)過程b)開關(guān)過程波形(a)(b)uGSP--進(jìn)入非飽和區(qū)的柵極電壓注意:?開關(guān)時(shí)間在10~100ns之間,其工作頻率可達(dá)100kHz以上,是主要電力電子器件中最高的。?柵源之間的絕緣層很薄,|UGS|>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿。?電力MOSFET不存在二次擊穿問題,這是其一大優(yōu)點(diǎn),但實(shí)際使用時(shí)仍應(yīng)留有適當(dāng)?shù)脑A俊?、
絕緣柵雙極晶體管IGBT★GTR的特點(diǎn):為雙極型,電流驅(qū)動(dòng),通流能力很強(qiáng),但開關(guān)速度較低,所需驅(qū)動(dòng)功率大,驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜?!镫娏OSFET優(yōu)點(diǎn):?jiǎn)螛O型,電壓驅(qū)動(dòng),開關(guān)速度快,輸入阻抗高,熱穩(wěn)定性好,所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單?!锝^緣柵雙極晶體管(Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT)綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn),即電壓控制、輸入阻抗高、開關(guān)速度快、飽和壓降低、損耗小、無二次擊穿現(xiàn)象、抗浪涌電流能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
IGBT單管及模塊外形?它是三端器件,具有柵極G、集電極C和發(fā)射極E。
?從結(jié)構(gòu)上看,IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū),使IGBT具有很強(qiáng)的通流能力。
?簡(jiǎn)化等效電路表明,IGBT是用GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)。
IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)簡(jiǎn)化等效電路c)電氣圖形符號(hào)RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。
1)IGBT的結(jié)構(gòu)E問:從圖見它是幾端器件?IGBT與電力MOSFET結(jié)構(gòu)同與異??IGBT的驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同,是一種場(chǎng)控器件。?IGBT的開通和關(guān)斷均由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的。
√導(dǎo)通--當(dāng)UGE為正且大于開啟電壓UGE(th)時(shí),MOSFET內(nèi)形成溝道,并為晶體管提供基極電流ID,使IGBT導(dǎo)通。
√關(guān)斷:當(dāng)柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號(hào)時(shí),MOSFET內(nèi)的溝道消失,晶體管的基極電流被切斷,使得IGBT關(guān)斷。
2)IGBT的工作原理E
靜態(tài)特性(包括轉(zhuǎn)移特性和輸出特性)1)轉(zhuǎn)移特性
√它描述的是柵射電壓UGE與集電極電流IC之間的關(guān)系。
√UGE(th)是開啟電壓(是導(dǎo)通時(shí)最低柵射電壓),它隨溫度升高而略有下降,溫度每升高1度,其值下降5mV左右,在+25度時(shí),UGE(th)的值一般為2-6V。
(a)轉(zhuǎn)移特性
3)IGBT的基本特性(包括靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性)E2)輸出特性(伏安特性)
√UCE>0時(shí),與晶體管類似,以柵射電壓UGE為參考,集電極電流IC與集射極間電壓UCE之間的關(guān)系。
√分為三個(gè)區(qū)域:正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。與GTR有什么不同?(截、放、飽)
√當(dāng)UCE<0時(shí),IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)?!淘陔娏﹄娮与娐分校琁GBT工作在開關(guān)狀態(tài),即在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。(b)IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性b)輸出特性
E
動(dòng)態(tài)特性
?開通過程√開通延遲時(shí)間td(on):(從UGE上升沿的10%到ICM10%)電流上升時(shí)間tr(ICM從10%上到90%)
開通時(shí)間ton=td(on)+tr
√在開通的同時(shí),集射電壓UCE的下降,過程分為tfv1和tfv2兩段。
tfv2下降緩慢,只有此段結(jié)束后,IGBT才完全進(jìn)入飽和狀態(tài)。?關(guān)斷過程
√關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)
(從UGE下降沿的90%到ICM90%)電流下降時(shí)間tf
(ICM從90%下到10%)
√電流下降時(shí)間tf細(xì)分為tfi1(IGBT內(nèi)部的MOSFET關(guān)斷時(shí)間)和tfi2(IGBT內(nèi)部的PNP晶體管關(guān)斷時(shí)間)關(guān)斷時(shí)間toff=td(off)+tf
IGBT的開關(guān)過程◆IGBT的特性可以總結(jié)如下:
?IGBT開關(guān)速度高,開關(guān)損耗小。(資料表明,1000V以上時(shí),IGBT的開關(guān)損耗只有GTR的1/10,與電力MOSFET相當(dāng))
?在相同電壓和電流的情況下,IGBT的安全工作區(qū)比GTR大,而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。
?IGBT通態(tài)壓降比VDMOSFET低,特別是在電流較大的區(qū)域。
?IGBT輸入阻抗高,其輸入特性與電力MOSFET類似。?與電力MOSFET和GTR相比,IGBT的耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高,同時(shí)保持開關(guān)頻率高的特點(diǎn)。
(3)擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)①擎住效應(yīng)由于IGBT復(fù)合器件內(nèi)有一個(gè)寄生晶閘管存在,當(dāng)IGBT集電極電流IC
大到一定程度,可使寄生晶閘管(半控器件)導(dǎo)通,從而柵極會(huì)失去對(duì)集電極電流的控制作用,這種電流失控現(xiàn)象就像普通晶閘管被觸發(fā)以后,即使撤銷觸發(fā)信號(hào)晶閘管仍然因進(jìn)入正反饋過程而維持導(dǎo)通的機(jī)理一樣,因此被稱為擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)。IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)后,集電極電流過大,產(chǎn)生過高的功耗導(dǎo)致器件損壞。
說明:擎住效應(yīng)曾限制了IGBT電流容量的進(jìn)一步提高,經(jīng)過多年的努力,此問題得到極大改善。②安全工作區(qū)
IGBT開通和關(guān)斷時(shí),均具有較寬的安全工作區(qū)。IGBT開通時(shí)對(duì)應(yīng)的安全工作區(qū),稱為正向偏置安全工作區(qū)(FBSOA);IGBT關(guān)斷時(shí)對(duì)應(yīng)的安全工作區(qū),稱為反向偏置安全工作區(qū)(RBSOA)。4、
其他新型電力電子器件(補(bǔ)充)1)
靜電感應(yīng)晶體管SIT2)
靜電感應(yīng)晶閘管SITH3)MOS控制晶閘管MCT4)集成門極換流晶閘管IGCT
1)
靜電感應(yīng)晶體管(SIT)■它是一種結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。它是在普通結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,有源、柵、漏三個(gè)電極,它的源柵電流受柵極上的外加垂直電場(chǎng)控制?!鍪且环N多子導(dǎo)電的器件,其工作頻率與電力MOSFET相當(dāng),甚至超過電力MOSFET,而功率容量也比電力MOSFET大,因而適用于高頻大功率場(chǎng)合。■SIT是一種電壓控制器件,它分N溝道和P溝道兩種,箭頭向外的為N-SIT,箭頭向內(nèi)的為P-SIT。注意:
與前面器件不同的是:SIT柵極不加任何信號(hào)時(shí)是導(dǎo)通的;柵極加負(fù)壓時(shí)關(guān)斷,稱為正常導(dǎo)通型器件,使用時(shí)不太方便。
此外,SIT通態(tài)電阻較大,使得通態(tài)損耗也大,因而SIT還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。2)
靜電感應(yīng)晶閘管SITH■它可以看作是SIT與GTO的復(fù)合?!鲇直环Q為場(chǎng)控晶閘管(FCT),本質(zhì)上是兩種載流子導(dǎo)電的雙極型(比SIT多一種載流子)器件,具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng),通態(tài)壓降低、通流能力強(qiáng)?!銎浜芏嗵匦耘cGTO類似,但開關(guān)速度比GTO高得多,是大容量的快速器件?!鲆话阋彩钦?dǎo)通型,但也有正常關(guān)斷型,電流關(guān)斷增益較小,因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。
3)MOS控制晶閘管(MCT)■MCT(MOSControlledThyristor)是將MOSFET與晶閘管組合而成的復(fù)合型器件。
■MCT具有高電壓、大電流、低導(dǎo)通壓降的特點(diǎn)?!鯩CT的開關(guān)速度超過GTR,開關(guān)損耗也小。
它曾一度被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的電力電子器件,經(jīng)過十多年的努力,最終未能投入實(shí)際應(yīng)用。而其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手IGBT卻進(jìn)展飛速。4)
集成門極換流晶閘管IGCT■它是20世紀(jì)90年的后期出現(xiàn)的新型電力電子器件,IGCT將IGBT與GTO的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來,其容量與普通GTO相當(dāng),但開關(guān)速度比普通的GTO快10倍,而且可以簡(jiǎn)化普通GTO應(yīng)用時(shí)龐大而復(fù)雜的緩沖電路,只不過其所需的驅(qū)動(dòng)功率仍然很大。
它是一種比較理想的兆瓦級(jí)、中壓開關(guān)器件,適合用于6KV和10KV的中壓開關(guān)電路。此外,它的電流大、阻斷電壓高、開關(guān)頻率高、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、低導(dǎo)通損耗,且制造成本低、成品率高,有很好的應(yīng)用前景?!瞿壳埃琁GCT正在與IGBT等新型器件激烈競(jìng)爭(zhēng),試圖最終取代GTO在大功率場(chǎng)合的位置。分類依據(jù)種類典型器件特征開關(guān)器件是否可控不可控器件二極管單向?qū)щ娦园肟仄骷胀ňчl管SCR晶閘管的陽極與陰極之間加上正向電壓,門極與陰極之間也加上正向電壓時(shí),晶閘管導(dǎo)通。晶閘管一旦導(dǎo)通,門極即失去控制作用,故晶閘管為半控型器件.全控器件GTO、BJT、功率MOSFET、IGBT通過控制信號(hào)既可以控制其導(dǎo)通,又可以控制其關(guān)斷根據(jù)門極(柵極)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的不同電流控制器件SCR、GTO、BJT驅(qū)動(dòng)功率大,驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜,工作頻率低電壓控制器件MOSEET、IGBT驅(qū)動(dòng)功率小,驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單可靠,工作頻率高根據(jù)載流子參與導(dǎo)電情況不同單極型器件MOSFET、SIT開關(guān)時(shí)間短、輸入阻抗高、通態(tài)壓降高雙極型器件GTR、GTO、SITH通態(tài)壓降低、電流容量大復(fù)合型器件IGBT、MCT、IGCT電流密度高、導(dǎo)通壓降低、輸入阻抗高、響應(yīng)速度快表4-1電力電子器件的分類與特征器件參數(shù)GTOGTRIGBTMOSFET驅(qū)動(dòng)信號(hào)電流電流電壓電壓驅(qū)動(dòng)功率大大中小電流密度大較大中小通態(tài)壓降小小中大開關(guān)速度慢較慢中快表4-2常用電力電子器件參數(shù)比較1、普通晶閘管為全控型器件,可關(guān)斷晶閘管為半控制型器件。(
)2、比較而言,下列半導(dǎo)體器件中開關(guān)速度最慢的是()A.IGBTB.GTRC.MOSFETD.GTO3、要使絕緣柵雙極型晶體管導(dǎo)通,應(yīng)(
)。A.在柵射極加正電壓B、在柵射極加負(fù)電壓
C.在集電極加正電壓D、在集電極極加負(fù)電壓4、IGBT是
和
的復(fù)合管。5、比較而言,下列半導(dǎo)體器件中輸入阻抗最大的是()A.IGBTB.GTRC.MOSFETD.GTO6、請(qǐng)?jiān)谡_的空格內(nèi)標(biāo)出下面元件簡(jiǎn)稱的中文名稱GTR
;電力MOSFET
;IGBT
。7、普通晶閘管、電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)管、絕緣柵雙極型晶體管均屬于全控型電力電子器件。(
)8、電力電子器件是一種能夠承受高電壓、允許通過大電流的半導(dǎo)體器件。(
)9、比較而言,下列半導(dǎo)體器件中性能最好的是()。A.IGBTB.GTRC.MOSFETD.GTO10、當(dāng)晶閘管承受反向電壓時(shí),不論門極加何種極性觸發(fā)電壓,都將工作在()A、關(guān)斷狀態(tài)B、導(dǎo)通狀態(tài)
C、飽和狀態(tài)D、不定考慮:在變流技術(shù)中,DC/DC是什么技術(shù)?任務(wù)二DC/DC變換電路DC/DC變換電路,又稱斬波電路,它是開關(guān)電源的核心技術(shù),廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、無軌電車、地鐵電車、畜電池供電的機(jī)車車輛的無級(jí)變速及電動(dòng)汽車的調(diào)速及控制。引言直流斬波電路(DCChopper)
是通過電力電子器件的開關(guān)作用,將一個(gè)恒定的直流電壓變換成另一個(gè)固定的或可調(diào)的直流電壓。
◆一般強(qiáng)調(diào)指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟?,這種情況下輸入與輸出之間不隔離。
不包括直流-交流-直流(間接直流變流電路)。◆實(shí)現(xiàn)方式:它通過周期性的快速接通、斷開負(fù)載電路,從而將恒定直流電“斬”成一系列的脈沖電壓,改變這個(gè)脈沖電壓接通、關(guān)斷的時(shí)間比,就可方便調(diào)整輸出電壓的平均值。◆應(yīng)用:直流斬波電路具有效率高、體積小、質(zhì)量輕和成本低等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于采用直流電機(jī)調(diào)速的電力牽引上。交流可以通過變壓器變壓,而直流不能經(jīng)變壓器變壓,那如何變壓呢?40/441、降壓斬波電路(BuckChopper)降壓斬波電路的原理圖及波形a)電路圖b)電流連續(xù)時(shí)的波形
◆電路分析
1)此處使用了一個(gè)全控型器件V(IGBT),若采用晶閘管,需設(shè)置使晶閘管關(guān)斷的輔助電路。
2)設(shè)置了續(xù)流二極管VD,在V關(guān)斷時(shí)給負(fù)載中電感電流提供通道。
3)典型用途:拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)或帶蓄電池負(fù)載,此時(shí)負(fù)載中均會(huì)出現(xiàn)反電動(dòng)勢(shì),圖中用EM表示,若無反電動(dòng)勢(shì),只需EM=0。
◆工作原理
?t=0時(shí)驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通,電源E向負(fù)載供電,負(fù)載電壓uo=E,負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升。
?
t=t1時(shí)控制V關(guān)斷,二極管VD續(xù)流,負(fù)載電壓uo近似為零,負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降,完成一個(gè)周期T。為使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小,通常串接較大電感L。這樣負(fù)載電流在整個(gè)周期基本相等。若L值較小,則在V關(guān)斷后,到t2時(shí)刻,負(fù)載電流已衰減到0,會(huì)出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。由波形可見,斷續(xù)時(shí),u0=EM,負(fù)載電壓u0平均值會(huì)被抬高,一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況。?電流連續(xù)時(shí)
√負(fù)載電壓的平均值為√負(fù)載電流平均值為式中,ton為V處于通態(tài)的時(shí)間,toff為V處于斷態(tài)的時(shí)間,T為開關(guān)周期,
為導(dǎo)通占空比,簡(jiǎn)稱占空比或?qū)ū取?/p>
因
<1,故輸出電壓低于輸入電壓,即降壓了。(4-1)(4-2)◆基本的數(shù)量關(guān)系根據(jù)對(duì)輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同,◆斬波電路有三種控制方式
?脈沖寬度調(diào)制(PWM):T不變,調(diào)制開關(guān)改變ton。
?頻率調(diào)制:保持ton不變,改變T。
?混合型:ton和T都可調(diào)下面分段對(duì)降壓斬波電路進(jìn)行解析按V處于通態(tài)和斷態(tài)兩個(gè)過程來分析。◆在V處于通態(tài)期間,設(shè)負(fù)載電流為i1可得設(shè)此階段電流初值為I10,,解上式得◆在V處于斷態(tài)期間,設(shè)負(fù)載電流為i2可得設(shè)此階段電流初值為I20,解上式得(3-2)式中,,,,,I10和I20分別是負(fù)載電流瞬時(shí)值的最小值和最大值。把式(3-4)和式(3-5)用泰勒級(jí)數(shù)近似,可得當(dāng)L為無窮大時(shí),負(fù)載電流最大值、最小值均等于平均值。(4-4)(4-5)(4-6)◆電流連續(xù)時(shí),有由式(3-1)-(3-3)得(4-3)◆還可從能量傳遞關(guān)系簡(jiǎn)單地推得,由于L為無窮大,故負(fù)載電流維持為I0不變。電源只在V處于通態(tài)時(shí)提供能量,從負(fù)載看,整個(gè)周期負(fù)載一直在消耗能量,消耗的能力為。一個(gè)周期中,忽略電路中的損耗,則電源提供的能量與負(fù)載消耗的能量相等,即則(4-7)與4-6結(jié)果相同當(dāng)L值較小,則可能出現(xiàn)負(fù)載電流斷續(xù)的情況。類似的,◆電流斷續(xù)時(shí)有I10=0,且在t=ton+tx時(shí),i2=0,可以得出電流斷續(xù)時(shí),tx<toff,由此得出電流斷續(xù)的條件為輸出電壓平均值為負(fù)載電流平均值為(4-10)4-11)對(duì)于電路的具體工況,可據(jù)式(3-11)判斷電流是否連續(xù)。斷續(xù)時(shí),負(fù)載電流一降到0,續(xù)流二極管就關(guān)斷,負(fù)載兩端電壓等于EM.■例4-1在圖所示的降壓斬波電路中,已知E=200V,R=10Ω,L值極大,Em=30V,T=50μs,ton=20
s,計(jì)算輸出電壓平均值Uo,輸出電流平均值Io。
解:由于L值極大,故負(fù)載電流連續(xù),于是輸出電壓平均值為
輸出電流平均值為
■例題:
在圖所示的降壓斬波電路中,E=100V,L=1mH,R=0.5Ω,Em=10V,采用脈寬調(diào)制控制方式,T=20
s,當(dāng)ton=5
s時(shí),計(jì)算輸出電壓平均值Uo,輸出電流平均值Io,計(jì)算輸出電流的最大和最小值瞬時(shí)值并判斷負(fù)載電流是否連續(xù)。解:由題目已知條件可得:當(dāng)ton=5
s時(shí),有由于所以輸出電流連續(xù)。此時(shí)輸出平均電壓為輸出平均電流為輸出電流的最大和最小值瞬時(shí)值分別為此式中,輸出電壓高于輸入電壓,故為升壓斬波電路。2、升壓斬波電路0uGE0ioI1a)b)升壓斬波電路及其工作波形a)電路圖b)波形
◆工作原理
?假設(shè)L和C值很大。
?V處于通態(tài)時(shí),電源E向電感L充電,電流基本恒定為I1,電容C向負(fù)載R供電,因C值很大,基本保持輸出電壓為恒值Uo。
設(shè)通態(tài)時(shí)間為ton,此階段L上積蓄的能量為
。
?V處于斷態(tài)時(shí),電源E和電感L同時(shí)向電容C充電,并向負(fù)載提供能量。
設(shè)斷態(tài)時(shí)間為toff,L釋放能量為?當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí),一個(gè)周期T中電感L積蓄的能量與釋放的能量相等,即化簡(jiǎn)得(4-11)?將升壓比的倒數(shù)記作β,即,則
和導(dǎo)通占空比
有如下關(guān)系式(4-11)可表示為可見,升壓斬波電路能使輸出電壓高于電源電壓,關(guān)鍵原因有兩個(gè):一是L儲(chǔ)能之后具有使電壓泵升的作用(使電源和L儲(chǔ)的能量共同給負(fù)載供電,即使uo>E),二是電容C可將輸出電壓保持住。?如果忽略電路中的損耗,則由電源提供的能量?jī)H由負(fù)載R消耗,即?輸出電流的平均值Io為(4-12)T/toff表示升壓比,調(diào)節(jié)其大小,即可改變輸出電壓Uo的大小。(4-13)(4-14)■例
題:在圖4-2a所示的升壓斬波電路中,已知E=50V,L值和C值極大,R=20
,采用脈寬調(diào)制控制方式,當(dāng)T=40
s,ton=25
s時(shí),計(jì)算輸出電壓平均值Uo,輸出電流平均值Io。解:輸出電壓平均值為:
輸出電流平均值為:3、升降壓斬波電路otb)oti1i2tontoffILILa)升降壓斬波電路及其波形a)電路圖b)波形
◆工作原理
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