3-Power_P 現(xiàn)代電源控制

1、第三章第三章 基本電力電子器件及其驅(qū)動(dòng)基本電力電子器件及其驅(qū)動(dòng)3-1 功率二極管（功率二極管（Power Diode)1靜態(tài)特性靜態(tài)特性 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)：電流注入載流子數(shù)電阻率多子保持電中性u(píng)D DiD D電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)mAA 反向阻斷雪崩擊穿0.51.2V2動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性開(kāi)通過(guò)程：tiD DtFRUFRP理想iD DiD D實(shí)際理想uD D實(shí)際uD DuD D2V勢(shì)壘電容體電感正向恢復(fù)時(shí)間2動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性關(guān)斷過(guò)程：tiD DUFRP理想uD D理想iD DIRRPUR實(shí)際iD DuD D實(shí)際URRP25%IRRPtRR由UR、線路電感、體電感決定反向充電建立勢(shì)壘 因正向電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)且電流大：

2、tFR tRR (普通100s) 普通PD 100usPD等效模型：2動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性外殼電容體電阻體電感引線電感勢(shì)壘+ 擴(kuò)散 電容PN結(jié)電阻3PD的分類(lèi)的分類(lèi) 快恢復(fù)二極管 （Fast Recovery Diode 0.2us) 軟恢復(fù)二極管 （Soft Recovery Diode 0.51us) 勢(shì)壘（肖特基）二極管 （Schottky Barrier Diode 50ns)tiD D理想iD D普通iD DiD D軟恢復(fù)iD D快恢復(fù)3-2 功率晶體管功率晶體管1結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 三重?cái)U(kuò)散臺(tái)面型結(jié)構(gòu)：GTR- Giant TransistorBJT - Bipolar Junction Tra

3、nsistor PN-N+N+BEC臺(tái)面結(jié)構(gòu)面積大I 大；輕摻雜大V梯度V大；但小。2類(lèi)型類(lèi)型單管：=10 15，驅(qū)動(dòng)電流大復(fù)合（達(dá)林頓）管：NPNT1T2PNPT1T2CT1T2R1R2D1D2BE T2的C結(jié)未正偏，Uces大； T1T2 順序動(dòng)作，速度慢。GTR（達(dá)林頓）模塊：多級(jí)復(fù)合、單橋臂、橋 R1、R2提供Icb的通 路提高熱穩(wěn)定性； R2分流T1穿透電流， 保證關(guān)斷可靠。 D1抽取T2發(fā)射結(jié)電 荷，加速T2與T1同 步關(guān)斷。靜態(tài)特性：3GTR的特性的特性iC CuCECE準(zhǔn)飽和區(qū)深飽和區(qū)截止區(qū)二次擊穿區(qū)二次擊穿臨界曲線放大區(qū)iC CuCECEsnsICMiC CuCECEUCEM

4、PCMPSBSOACTston251 一次擊穿與二次擊穿 安全工作區(qū)SOASOASafe Operation Area動(dòng)態(tài)特性：3GTR的特性的特性iC CiB BRBRCUCCiB BiC Cttt1 1t2 2t3 3t4 4tS StC CIBIC0.9IB0.1IB0.9IC0.1ICt1延遲時(shí)間t2上升時(shí)間t3存儲(chǔ)時(shí)間t4下降時(shí)間ts開(kāi)通時(shí)間 （ n s 級(jí)）tc關(guān)斷時(shí)間 （s 級(jí)）準(zhǔn)飽和加速電容基本要求：4驅(qū)動(dòng)電路（驅(qū)動(dòng)電路（Drive Circuit）IBP+IBP-s5s2s50.IBhFEhFES).(6050hFEIICMB)./().(6050251 Ic 較大時(shí)，增 I

5、B 可降 Uces；深度飽和與快速關(guān)斷相矛盾。BBPII3BPBPIIICUCES1VIB=0.5AIB=1A30A 3過(guò)驅(qū)動(dòng)系數(shù) 增 IBP- 可加速關(guān)斷，但電流變化率增大。一般?。夯掘?qū)動(dòng)電路基本驅(qū)動(dòng)電路 D1：UBE+UD2+UD3 = UD1+UCEST1T2R1R2D1uBD3D2D4E1E2C1GTR貝克鉗位電路 UCES = UBE+UD2+UD3 UD1 = UBE + UD2 （一般取0.73V)使GTR集電結(jié)反偏或零偏準(zhǔn)飽和準(zhǔn)飽和 D1應(yīng)為快恢復(fù)管，D2、D3為普通管集成驅(qū)動(dòng)電路集成驅(qū)動(dòng)電路 EXB356：150A/600V；IBP=+3A/-3.4A、 IIN= 39mA

6、EXB356 (富士 日) UAA4002 (湯姆遜 法)M57950 (三菱 日) 69215V312679V9V4EXB3563-3 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管1小功率小功率MOSFET的分類(lèi)與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分類(lèi)與結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 因工藝和結(jié)構(gòu)差異名稱(chēng)不同。如： Motorola TMOS NEC VDMOS Siemens SiPMOSPower MOSFET結(jié) 型絕緣柵型增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道Power MOSFETDSG1小功率小功率MOSFET的分類(lèi)與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分類(lèi)與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)PN+DGN+SmmVuGS/54100反型層 電壓控制，輸入阻抗高。147410101010:MO

7、SGTR 單極型，溫流負(fù)反饋， 溫度穩(wěn)定性高，無(wú)二次擊穿。 橫向?qū)щ?，電流小，耐壓低?適合于MOS IC。2功率功率MOSFET的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 胞元并聯(lián)結(jié)RDS小， 可達(dá)m。 垂直導(dǎo)電VD，面積 大，電流大； 無(wú)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，UDSS 較GTR大。 N- -DGSPN+N+PN+N+ N+ 輕摻雜，電阻率大， 耐壓高； 溝道短D-S間U、R、 C均??；靜態(tài)特性：3PMOSFET的特性的特性飽和區(qū) 調(diào)阻區(qū) 雪崩擊穿區(qū) 安全工作區(qū)安全工作區(qū)SOAiD DuDSDSUGSGSiD DuGSGS跨導(dǎo)gUIGSD開(kāi)啟電壓UGST 1.5 4V - 5 6mV/ 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 輸出特性輸出特性

8、SOASafe Operation AreaIDMiD DuDSDSUDMPCMRONSOA動(dòng)態(tài)特性：3PMOSFET的特性的特性CGDDSGCGSCDS？密勒效應(yīng)、位移電流密勒效應(yīng)、位移電流RSRFRLRGUCCiD DuP Pt1開(kāi)通延時(shí)t2上升時(shí)間t3關(guān)斷延時(shí)t4下降時(shí)間ts開(kāi)通時(shí)間 （ n s 級(jí)）tc關(guān)斷時(shí)間 （n s 級(jí)）iD Dttt1 1t2 2t3 3t4 4UGSTtuGSGSUCC/RLuP PRs、Cin決定開(kāi)關(guān)速度4ZVS Buck變換器變換器(諧振開(kāi)關(guān)諧振開(kāi)關(guān))C1CL1ROiDuSiSUiLUOCuD1LiDiSt0uCuDUit0t0t01IOUOUi-IO23

9、4IOOFFtONt可加驅(qū)動(dòng)iLDSIOUiLiIOUiIOUiIOCu諧振UiCuLiIO S并聯(lián)C如何開(kāi)通？ZVS 開(kāi)通/關(guān)斷有效抑制有效抑制Miller 效應(yīng)效應(yīng)ZCS 開(kāi)通Ismax = IO 輸出電壓的調(diào)節(jié) T4fsUDUo3-4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管1IGBT的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)IGBT N- -CGEPN+N+PN+N+ N+ P+DSGCEN+NP+PPEN區(qū)體電阻GCERNRPGCERNGECIGBT Insulated Gate Bipolar Transistor靜態(tài)特性：2IGBT的特性的特性 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性UST 34VuGEGEiC C 輸出特性輸出特性飽和區(qū)

10、iCuCEUGE23V 飽和電壓特性飽和電壓特性u(píng)CESiC C25125負(fù)正動(dòng)態(tài)特性：2IGBT的特性的特性iCtt1 1t2 2t3 3t4 4USTuGEUGEM0.1UGEMICM0.9ICMtONtOFF0.1ICM0.9UGEMuCEMOSONGTRONMOSOFFGTROFFt鉗位效應(yīng)鉗位效應(yīng)：G-E 驅(qū)動(dòng)電流 二極管正向特性拖尾電流拖尾電流MOS已經(jīng)關(guān)斷，IGBT存儲(chǔ)電荷釋放緩慢3IGBT的擎?。ǖ那孀。↙atch）效應(yīng)）效應(yīng)GCERNRPSCR 靜態(tài)擎住靜態(tài)擎住 動(dòng)態(tài)擎住動(dòng)態(tài)擎住 過(guò)熱擎住過(guò)熱擎住P區(qū)體電阻區(qū)體電阻RP引發(fā)擎住引發(fā)擎住關(guān)斷過(guò)急關(guān)斷過(guò)急位移電流位移電流ECEJi

11、dtduCCJPN結(jié)電容RG 不能過(guò)小，限制關(guān)斷時(shí)間。RP 及PNP、NPN 電流放大倍數(shù)因溫度升高而增大。（125時(shí)ICM降至1/2）4IGBT的通態(tài)特性的通態(tài)特性O(shè)42461088121620VUge/VUce/40A200A100ACTC25ccesonIUR5IGBT的電流容量的電流容量 最大連續(xù)電流最大連續(xù)電流 IC506012018030024075100125150CTc/AIC/CTjm15025CTAICC125250 最大脈沖電流最大脈沖電流 ICM 最大開(kāi)關(guān)電流最大開(kāi)關(guān)電流 ILMCCMoncIImstCT)(;32125規(guī)定條件下，可重復(fù)開(kāi)關(guān)電流的最大值。規(guī)定條件下，可

12、重復(fù)開(kāi)關(guān)電流的最大值。CLMgeoncIIVUHLCT).(.;51211520125 允許短路電流允許短路電流 ISC52004006001k80010152025VUge/05AISC/stSC/SCI10201525SCtVUCTCEc700125CSCII)(546IGBT短路狀態(tài)的失效機(jī)理短路狀態(tài)的失效機(jī)理 失效原因：失效原因：ttDA/50OOsci0scigeuttOOFIRGP40sci0scigeuFIRGP40Ds/2Ds/2DV /5 短路保護(hù)短路保護(hù) 延時(shí)搜索延時(shí)搜索超過(guò)熱極限：超過(guò)熱極限：半導(dǎo)體本征溫度極限半導(dǎo)體本征溫度極限250Co, 短路電流過(guò)大使管芯過(guò)熱。短路電

13、流過(guò)大使管芯過(guò)熱。 關(guān)斷過(guò)電壓：關(guān)斷過(guò)電壓：分布和封裝引線電感與短路大電流關(guān)斷變化。分布和封裝引線電感與短路大電流關(guān)斷變化。電流擎住效應(yīng)電流擎住效應(yīng)3-5 IGBT典型厚膜集成驅(qū)動(dòng)電路典型厚膜集成驅(qū)動(dòng)電路1驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)原則驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)原則 安全安全+低耗低耗+快速快速 隔離：隔離：光電耦合、光纖、脈沖變壓器；光電耦合、光纖、脈沖變壓器； 電平適當(dāng)：電平適當(dāng)：+12 16V / -5 10V+UGEtONpONUCESPONtSCISC 邊沿陡直：邊沿陡直：tUP、tDn 1stON/OFFpON/OFFdi/dtdu/dt電壓尖峰動(dòng)態(tài)擎住 驅(qū)動(dòng)回路短、回路阻抗小、驅(qū)動(dòng)功率足驅(qū)動(dòng)回路短、回路

14、阻抗小、驅(qū)動(dòng)功率足2EXB840/841高速型厚膜驅(qū)動(dòng)電路高速型厚膜驅(qū)動(dòng)電路（富士） EXB840：150A/600V、 75A/1200V；40kHz、延遲、延遲1s、25mA EXB841：400A/600V、300A/1200V；40kHz、延遲、延遲1s、47mA1392AMP1514過(guò)流保護(hù)456EXB840/8415V20V10mA3333m1過(guò)流過(guò)流保護(hù)保護(hù)輸出輸出8VC 非濾波，吸收電源線阻抗變化引起的電壓波動(dòng)橋臂直通、ic(近似uce)過(guò)大、T過(guò)高Uce允許短路時(shí)間530s延時(shí)搜索/緩降柵壓“0”強(qiáng)迫-5V封鎖3M57962AL厚膜驅(qū)動(dòng)電路厚膜驅(qū)動(dòng)電路（三菱）短路檢測(cè)時(shí)間：短路檢測(cè)時(shí)間：P2-P4間電容10008000p 對(duì)應(yīng)36S658M57962AL門(mén)極封鎖單元定時(shí)復(fù)位