第4章 开关电源主要元器件综述

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()cthjcpR最高结温外壳温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4.3.1MOSFET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4.7MOSFET的驱动电路4.3.3MOSFET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(InsultedGateBipolaarTransistor)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4.9IGBT结构、等效电路和图形符号4.4.2IGBT的输出特性和主要参数图4.10典型的IGBT输出特性曲线4.4.2IGBT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。4.4.2IGBT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脉冲前沿的0.1UGE处起至Ic上升到0.9Ic处所需的时间，(6)关断时间TOFF即为IGBT在关断过程中从UCE脉冲后沿的0.9UGE处起至IC下降到0.1Ic处所需的时间，IGBT的TON和TOFF在1～2μs之间。4.4.3IGBT应用技术1.IGBT栅极驱动电路图4.11栅极驱动电路4.4.3IGBT应用技术(a)直接驱动50A系列IGBT的P250图4.12光电耦合器应用实例4.4.3IGBT应用技术(b)高共模抑制比，高耐压的TLP582图4.12光电耦合器应用实例4.4.3IGBT应用技术2.IGBT保护电路图4.13晶体管的电压、电流特性4.4.3IGBT应用技术IGBT的保护，有过流保护、栅极过压欠压保护、超出安全工作区保护、过压保护以及过热保护等。1.IGBT负载短路保护。短路保护电路大致有四种类型。4.4.3IGBT应用技术图4.14高速电流检测方式4.4.3IGBT应用技术图4.15间隙脉冲方式4.4.3IGBT应用技术图4.16脉冲变化率控制方式4.4.3IGBT应用技术图4.17关闭栅极控制方式4.4.3IGBT应用技术2.浪涌电压吸收电路，IGBT是一种安全工作区宽，使用简单的功率元件。但开关速度高易产生浪涌电压，因此一般要采用浪涌钳位电路。4.4.3IGBT应用技术图4.18浪涌电压吸收电路及其工作波形4.4.3IGBT应用技术3.IGBT的串联和并联IGBT并联运行时应注意以下几个问题a、集电极发射极间饱和电压降的选择；b、每个元件要接适当的栅极电阻；c、开关时间(TON和TOFF)的选择；d、元件温度均衡；e、对称接线，持别是发射极接线要尽量短；f、栅极驱动电路高速化；g、加接浪涌电压吸收电路。4.4.3IGBT应用技术4.使用中注意事项1）栅极振荡的防止。2）栅极过电压的防止。3）栅极噪声的防止。4）浪涌电压的降低。4.4.3IGBT应用技术图4.19IGBT栅极处理技术4.5光电耦合器光电耦合器的作用是进行电气隔离，同时又能进行信号的传输，光电耦合器由发光器件和受光器件组成，其连接发光源的引线称为输入端，连接受光器的引线为输出端。当输入端加上信号时，激光发光器件发光。受光器件受光照后，由于光敏效应产生光电流通过输出端输出，实现以光为媒介的电信号的传输。4.6精密可调基准电源TL431TL431精密可调电源有如下特点：稳压值从2.5~36V连续可调参考电压源误差1.0%,低动态输出电阻，典型值为0.22Ω输出电流1.0~100mA全温度范围内温度特性平坦,典型值为50ppm低输出噪声电压。4.6精密可调基准电源TL431图4.22TTL431引脚、符号及内部框图4.6.1精密基准电压源图4.23精密基准电压源4.6.2可调稳压电源图4.24可调式稳压电源4.6.2可调稳压电源图4.25过电压保护电路4.6.3恒流源电路图4.26恒流源电路（拉电流负载）4.6.3恒流源电路图4.27恒流源电路（灌电流负载）4.6.4比较器图4.28TL431构成的比较器4.6.5电压监视器图4.29电压监视器4.7开关电源中使用的厚膜电路4.7.1概述厚膜电路是在阻容元件和半导体技术基础上发展起来的一种混合集成电路。它是利用厚膜技术在陶瓷基片上制作模式元件和连接导线，将某一单元电路的各元件集成在一块陶瓷基板上，使之成为一个整体部件，其外型有封闭和开放两种封装形式。4.7.1概述电源厚膜电路是电视机及录象机电源部分的核心元件。按其电路结构及功能不同，又可分为稳压电源厚膜电路、电源误差取样厚膜电路及高压限制厚膜电路三大类。4.7.1概述厚膜电路可用分立元件进行仿制代换，但应注意以下三点：1.根据原厚膜电路的内部结构，设计好代换组件的印制电路板。2.原电路标称的元件参数，严格选择好代换元器件，各项参数一定要注意降额选用。3.安装与调试。4.7.2彩色电视机电源厚膜电路的代换图4.3056A245-2等代换电路4.8开关电源中使用的电容器4.8.1陶瓷电容器1.概述开关电源中使用的电容器要求体积小、寿命长、频率高和耐高温。图4.50开关电源主回路4.8.1陶瓷电容器2.线路滤波器用电容器在开关电源的初级侧接有交流线路滤波器，主要用于抑制外部噪声的进入与内部噪声的外出，其中用于抑制正态噪声X电容和抑制共态噪声Y电容都采用陶瓷电容器。4.8.1陶瓷电容器3.吸收电容器吸收电容器的作用是吸收晶体管与二极管开关工作以及变压器与接线等电感所产生的浪涌，用于保护开关元器件。这类电容要使用自身发热少，即低损耗以及耐高压的产品。4.8.1陶瓷电容器4.平波电容器平波电容用于平滑纹波电流，主要采用大容量电解电容器。但随着开关电源的高频化与小型化，目前，已采用叠层陶瓷电容器。4.8.1陶瓷电容器图4.51阻抗—频率特性图4.52ESR一频率特性4.8.1陶瓷电容器图4.53陶瓷电容与铝电解电容自发热的温度上升情况4.8.1陶瓷电容器5.输出回路中的旁路电容为了阻止噪声由输出回路进入负载，回路中接入电容器。其中，大容量铝电解电容用于滤除纹波成分，而高频开关的噪声依靠接在铝电解电容后的低电感、低ECR的小容量电容滤除。这种作用的电容器为旁路电容，它靠近主电流回路配置。其旁路效果比较好。输出回路中旁路电容也可用于抑制正态与共态噪声，4.8.2薄膜电容器1.概述2.电源间用电容器3.滤波平滑用电容器4.高频用电容器5.充放电用电容器6.高压电容器4.8.3铝电解电容器1.铝电解电容器特性功能2.耐洗涤剂问题3.被覆套的绝缘性4.防爆阀的原理