1、电力电子技术讲义第05章项目三 开关电源的组装与调试【学习目标】1掌握开关电源主要器件（大功率晶体管GTR、功率场效应晶体管MOSFET）的工作原理和特性。2掌握DC/DC变换电路的基本概念和工作原理。3熟悉PC主机开关电源典型故障现象及检修方法。4. 制作一个单端反激式开关电源。实例 开关电源电路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3-1是常见的PC主机开关电源。图3-1 PC主机开关电源PC主机开关电源的基本作用就是将交流电网的电能转换为适合各个配
2、件使用的低压直流电供给整机使用。一般有四路输出，分别是+5V、-5V、+12V、-12V。开关电源的原理框图如图3-2所示，输入交流电，经过滤波，再由整流桥整流后输出高压直流电，然后由功率开关电路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。开关电路的导通与截止由PWM控制电路发出的驱动信号控制。PWM驱动电路在提供开关管驱动信号的同时，还要实现输出电压稳定的调节、对电源负载提供保护。为此设有检测放大电路、过电流保护及过电压保护等环节。通过自动调节开关管导通时间的比例（占空比）来实现。 图32 开关电源的原理框图。由高压直流到低压多路直流的电路称DC/DC变换，是开
3、关电源的核心技术。图33为PC主机开关电源电路原理图。图3-3 PC主机开关电源电路原理图 课题一 全控型电力电子器件在开关电源中使用的开关器件有许多如：场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT，在小功率开关电源上也使用大功率晶体管GTR，本实例中使用的是GTR，这些都属于全控型电力电子器件，本项目中介绍GTR和MOSFET两种器件，IGBT在项目四中介绍。一、大功率晶体管GTR1. 大功率晶体管的结构和工作原理(1) 基本结构通常把集电极最大允许耗散功率在1W以上，或最大集电极电流在1A以上的三极管称为大功率晶体管，其结构和工作原理都和小功率晶体管非常相似。由三层半导体、两个PN
4、结组成，有PNP和NPN两种结构，其电流由两种载流子（电子和空穴）的运动形成，所以称为双极型晶体管。图3-4（a）是NPN型功率晶体管的内部结构，电气图形符号如图（b）所示。大多数GTR是用三重扩散法制成的，或者是在集电极高掺杂的N+硅衬底上用外延生长法生长一层N漂移层，然后在上面扩散P基区，接着扩散掺杂的N+发射区。(a)GTR的结构 (b）图形符号 (c）内部载流子的流动图3-4 GTR的结构、图形符号和内部载流子流动大功率晶体管通常采用共发射极接法，图3-4（c）给出了共发射极接法时的功率晶体管内部主要载流子流动示意图。(2）工作原理在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态。晶体管通常
5、连接称共发射极电路，NPN型GTR通常工作在正偏（Ib0）时大电流导通；反偏（IbBUcexBUcesBUcerBUceo，实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多。2) 集电极最大允许电流ICmGTR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
6、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TJMGTR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。3.GTR的二次击穿和安全工作区(1) 二次击穿问题实践表明，GTR即使工作在最大耗散功率范围内，仍有可能突然损坏，其原因一般是由二次击穿引起的，二次击穿是影响GTR安全可靠工作的一各重要因素。二次击穿是由于集电极电
7、压升高到一定值（未达到极限值）时，发生雪崩效应造成的。照理，只要功耗不超过极限，管子是可以承受的，但是在实际使用中，出现负阻效应，Ie进一步剧增。由于管子结面的缺陷、结构参数的不均匀，使局部电流密度剧增，形成恶性循环，使管子损坏。二次击穿的持续时间在纳秒到微秒之间完成，由于管子的材料、工艺等因素的分散性，二次击穿难以计算和预测。防止二次击穿的办法是：应使实际使用的工作电压比反向击穿电压低得多。必须有电压电流缓冲保护措施。(2) 安全工作区以直流极限参数IcM、PcM、UceM构成的工作区为一次击穿工作区，如图38所示。以USB（二次击穿电压）与ISB（二次击穿电流）组成的PSB（二次击穿功率）
8、如图中虚线所示，它是一个不等功率曲线。以3DD8E晶体管测试数据为例，其PcM=100W，BUceo200V，但由于受到击穿的限制，当Uce=100V时，PSB为60W，Uce=200V时PSB仅为28W！所以，为了防止二次击穿，要选用足够大功率的管子，实际使用的最高电压通常比管子的极限电压低很多。安全工作区是在一定的温度条件下得出的，例如环境温度25或壳温75等，使用时若超过上述指定温度值，允许功耗和二次击穿耐量都必须降额。图3-8 GTR安全工作区4.GTR的驱动与保护(1) GTR基极驱动电路1) 对基极驱动电路的要求由于GTR主电路电压较高，控制电路电压较低，所以应实现主电路与控制电路
9、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3-9所示。图3-9 GTR基极驱动电流波形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，应向基极提供足够大的反向基极电流（如图3-9波形所示），以加快关断速度，减小关段损耗。应有较强的抗干扰能力，并有一定的保护功能。2) 基极驱动电路图3-10是一个简单实用的GTR驱动电路。该电路采用正、负双电源供电。当输入信号为高电平时，三极管V1、V2和V3导通，而V4截止，这时V5就导通。二极管VD
10、3可以保证GTR导通时工作在临界饱和状态。流过二极管VD3的电流随GTR的临界饱和程度而改变，自动调节基极电流。当输入低电平时，V1、V2、V3截止，而V4导通，这就给GTR的基极一个负电流，使GTR截止。在V4导通期间，GTR的基极-发射极一直处于负偏置状态，这就避免了反向电流的通过，从而防止同一桥臂的另一个GTR导通产生过电流。 图3-10 实用的GTR驱动电路3)集成化驱动集成化驱动电路克服了一般电路元件多、电路复杂、稳定性差和使用不便的缺点，还增加了保护功能。如法国THOMSON公司为GTR专门设计的基极驱动芯片UAA4002。采用此芯片可以简化基极驱动电路，提高基极驱动电路的集成度、
11、可靠性、快速性。它把对GTR的完整保护和最优驱动结合起来，使GTR运行于自身可保护的准饱和最佳状态。(2) GTR的保护电路为了使GTR在厂家规定的安全工作区内可靠的工作，必须对其采用必要的保护措施。而对GTR的保护相对来说比较复杂，因为它的开关频率较高，采用快熔保护是无效的。一般采用缓冲电路。主要有RC缓冲电路、充放电型R-C-VD缓冲电路和阻止放电型R-C-VD缓冲电路三种形式，如图3-11所示。 （a）RC缓冲电路 （b）充放电型R-C-VD缓冲电路 （c）阻止放电型R-C-VD缓冲电路图3-11 GTR的缓冲电路(a)图所示RC缓冲电路，电路简单，对关断时集电极发射极间电压上升有抑制作
12、用。但是这种电路只适用于小容量的GTR（电流10A以下）。(b)图所示充放电型R-C-VD缓冲电路，电路中增加了缓冲二极管VD2，可以用于大容量的GTR。但它的损耗（在缓冲电路的电阻上产生的）较大，不适合用于高频开关电路。(c)图所示阻止放电型R-C-VD缓冲电路，较常用于大容量GTR和高频开关电路的缓冲器。其最大优点是缓冲产生的损耗小。为了使GTR正常可靠地工作，除采用缓冲电路之外，还应设计最佳驱动电路，并使GTR工作于准饱和状态。另外，采用电流检测环节，在故障时封锁GTR的控制脉冲，使其及时关断，保证GTR电控装置安全可靠地工作；在GTR电控系统中设置过压、欠压和过热保护单元，以保证安全可
13、靠地工作。二. 功率场效应晶体管MOSFET单相半波可控整流电路功率场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）简称MOSFET。与GTR相比，功率MOSFET具有开关速度快、损耗低、驱动电流小、无二次击穿现象等优点。它的缺点是电压还不能太高、电流容量也不能太大。所以目前只适用于小功率电力电子变流装置。1.功率MOSFET的结构及工作原理（1）结构功率场效应晶体管是压控型器件，其门极控制信号是电压。它的三个极分别是：栅极G、源极S、漏极D。功率场效应晶体管有N沟道和P沟道两种。N沟道中载流子是电子，P沟道中载流子是空穴，都是
14、多数载流子。其中每一类又可分为增强型和耗尽型两种。耗尽型就是当栅源间电压UGS=0时存在导电沟道，漏极电流ID0；增强型就是当UGS=0时没有导电沟道，ID=0，只有当UGS0（N沟道）或UGS0（P沟道）时才开始有ID。功率MOSFET绝大多数是N沟道增强型。这是因为电子作用比空穴大得多。N沟道和P沟道MOSFET的电气图形符号如图3-12所示。(a) 功率MOSFET的结构 （b） 图形符号图3-12 功率MOSFET的结构和图形符号功率场效应晶体管与小功率场效应晶体管原理基本相同，但是为了提高电流容量和耐压能力，在芯片结构上却有很大不同：电力场效应晶体管采用小单元集成结构来提高电流容量和
15、耐压能力，并且采用垂直导电排列来提高耐压能力。几种功率场效应晶体管的外形如图3-13。 图3-13 几种功率场效应晶体管的外形(2) 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
16、阀值电压，UGS超过UT越多，导电能力越强，漏极电流越大。2.功率MOSFET的特性与参数（1）功率MOSFET的特性1）转移特性ID和UGS的关系曲线反映了输入电压和输出电流的关系，称为MOSFET的转移特性。如图314（a）所示。从图中可知，ID较时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率被定义为MOSFET的跨导，即 。 MOSFET是电压控制型器件，其输入阻抗极高，输入电流非常小。 (a) 转移特性 （b） 输出特性图314 电力MOSFET的转移特性和输出特性2) 输出特性图314(b）是MOSFET的漏极伏安特性，即输出特性。从图中可以看出，MOSFET有三个工作区： 截止区：UG
17、SUT，ID=0，这和电力晶体管的截止区相对应。饱和区：UGSUT，UDSUGS-UT，当UGS不变时，ID几乎不随UDS的增加而增加，近似为一常数，故称饱和区。这里的饱和区并不和电力晶体管的饱和区对应，而对应于后者的放大区。当用做线性放大时，MOSFET工作在该区。非饱和区：UGSUT，UDSUGS-UT，漏源电压UDS和漏极电流ID之比近似为常数。该区对应于电力晶体管的饱和区。当MOSFET作开关应用而导通时即工作在该区。在制造功率MOSFET时，为提高跨导并减少导通电阻，在保证所需耐压的条件下，应尽量减小沟道长度。因此，每个MOSFET元都要做得很小，每个元能通过的电流也很小。为了能使器
18、件通过较大的电流，每个器件由许多个MOSFET元组成。3) 开关特性图315是用来测试MOSFET开关特性的电路。图中up为矩形脉冲电压信号源，波形见图315(b），Rs为信号源内阻，RG为栅极电阻，RL为漏极负载电阻，RF用于检测漏极电流。因为MOSFET存在输入电容Cin，所以当脉冲电压up的前沿到来时，Cin有充电过程，栅极电压UGS呈指数曲线上升，如图3-15所示。当UGS上升到开启电压UT时开始出现漏极电流iD。从up的前沿时刻到uGS=UT的时刻，这段时间称为开通延迟时间td(on)。此后，iD随UGS的上升而上升。uGS从开启电压上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGPS这段时
19、间称为上升时间tr，这时相当于电力晶体管的临界饱和，漏极电流iD也达到稳态值。iD的稳态值由漏极电压和漏极负载电阻所决定，UGPS的大小和iD的稳态值有关。uGS的值达UGPS后，在脉冲信号源up的作用下继续升高直至到达稳态值，但iD已不再变化，相当于电力晶体管处于饱和。MOSFET的开通时间ton为开通延迟时间td(on)与上升时间tr之和，即：ton= td(on)+ tr 当脉冲电压up下降到零时，栅极输入电容Cin通过信号源内阻Rs和栅极电阻RG（Rs）开始放电，栅极电压uGS按指数曲线下降，当下降到UGPS时，漏极电流iD才开始减小，这段时间称为关断延迟时间td(off)。此后，Ci
20、n继续放电，uGS从UGPS继续下降，iD减小，到uGS小于UT时沟道消失，iD下降到零。这段时间称为下降时间tf。关断延迟时间td(off)和之和下降时间tf为关断时间toff，即：toff= td(off)+ tf 从上面的分析可以看出，MOSFET的开关速度和其输入电容的充放电有很大关系。使用者虽然无法降低其Cin值，但可以降低栅极驱动回路信号源内阻Rs的值，从而减小栅极回路的充放电时间常数，加快开关速度。MOSFET的工作频率可达100kHz以上。 MOSFET是场控型器件，在静态时几乎不需要输入电流。但是在开关过程中需要对输入电容充放电，仍需要一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱
21、动功率越大。（a）测试电路 （b）波形图315 功率MOSFET的开关过程(2) 功率MOSFET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。 总之，为了安全可靠，在选用MOSFET时，对电压、电流的额定等级都应留有较大余量。3.功率MOSFET的驱动(1) 功率MOSFET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
22、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。理想的栅极控制电压波形，如图3-16所示。提高正栅压上升率可缩短开通时间，但也不宜过高，以免MOSFET开通瞬间承受过高的电流冲击。正负栅压幅值应要小于所规定的允许值。图3-16 理想的栅极控制电压波形(2) 栅极驱动电路举例 图3-17是功率MOSFET的一种驱动电路，它由隔离电路与放大电路两部分组成。隔离电路的作用是将控制电路和功率电路隔离开来；放大电路是将控制信号进行功
23、率放大后驱动功率MOSFET，推挽输出级的目的是进行功率放大和降低驱动源内阻，以减小功率MOSFET的开关时间和降低其开关损耗。 驱动电路的工作原理是：当无控制信号输入时（ui=“0”），放大器A输出低电平，V3导通，输出负驱动电压，MOSFET关断；当有控制信号输入时（ui=“1”），放大器A输出高电平，V2导通，输出正驱动电压，MOSFET导通。 实际应用中，功率MOSFET多采用集成驱动电路，如日本三菱公司专为MOSFET设计的专用集成驱动电路M57918L，其输入电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为+2A和-3A，输出驱动电压为+15V和-10V。图3-17 功率MOSFET的一种驱
24、动电路4. MOSFET的保护电路 功率MOSFET的薄弱之处是栅极绝缘层易被击穿损坏。一般认为绝缘栅场效应管易受各种静电感应而击穿栅极绝缘层，实际上这种损坏的可能性还与器件的大小有关，管芯尺寸大，栅极输入电容也大，受静电电荷充电而使栅源间电压超过20V而击穿的可能性相对小些。此外，栅极输入电容可能经受多次静电电荷充电，电荷积累使栅极电压超过20V而击穿的可能性也是实际存在的。 为此，在使用时必须注意若干保护措施。(1) 防止静电击穿 功率MOSFET的最大优点是具有极高的输入阻抗，因此在静电较强的场合难于泄放电荷，容易引起静电击穿。防止静电击穿应注意： 1) 在测试和接入电路之前器件应存放在
25、静电包装袋，导电材料或金属容器中，不能放在塑料盒或塑料袋中。取用时应拿管壳部分而不是引线部分。工作人员需通过腕带良好接地。 2) 将器件接入电路时，工作台和烙铁都必须良好接地，焊接时烙铁应断电。 3) 在测试器件时，测量仪器和工作台都必须良好接地。器件的三个电极未全部接入测试仪器或电路前不要施加电压。改换测试范围时，电压和电流都必须先恢复到零。 4) 注意栅极电压不要过限。 (2)防止偶然性振荡损坏器件 功率MOSFET与测试仪器、接插盒等的输入电容、输入电阻匹配不当时可能出现偶然性振荡，造成器件损坏。因此在用图示仪等仪器测试时，在器件的栅极端子处外接10k串联电阻，也可在栅极源极之间外接大约
26、0.5F的电容器。 (3)防止过电压 首先是栅源间的过电压保护。如果栅源间的阻抗过高，则漏源间电压的突变会通过极间电容耦合到栅极而产生相当高的UGS电压，这一电压会引起栅极氧化层永久性损坏，如果是正方向的UGS瞬态电压还会导致器件的误导通。为此要适当降低栅极驱动电压的阻抗，在栅源之间并接阻尼电阻或并接约20V的稳压管。特别要防止栅极开路工作。 其次是漏源间的过电压保护。如果电路中有电感性负载，则当器件关断时，漏极电流的突变会产生比电源电压还高得多的漏极电压，导致器件的损坏。应采取稳压管箝位、二极管-RC箝位或RC抑制电路等保护措施。 (4)防止过电流 若干负载的接入或切除都可能产生很高的冲击电流，以致超过电流极限值，此时必须用控制电路使器件回路迅速断开。 (5)消除寄生晶体管和二极管的影响由于功率MOSFET内部构成寄生晶体管和二极管，通常若短接该寄生晶体管的基极和发射极就会造成二次击穿。另外寄生二极管的恢复时间为150ns，而当耐压为450V时恢复时间为5001000ns。因此，在桥式开关电路中功率MO
