电源技术.ppt
《电源技术.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《电源技术.ppt(96页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、电 工 教 研 室,北 京 理 工 大 学 信息科学技术学院,结构示意图,5.5.1 绝缘栅场效应管的基本结构,5.5 绝缘栅型场效应管,1. N沟道增强型,场效应管分为增强型和耗尽型,导电沟道分为P沟道和N沟道。N沟道载流子为电子,P沟道载流子为空穴。,结构示意图,5.5.1 绝缘栅场效应管的基本结构,5.5 绝缘栅型场效应管,2. P沟道增强型,结构示意图,P型硅衬底,源极S,漏极D,栅极G,衬底引线B,耗尽层,3. N沟道耗尽型,N+,N+,SiO2,制造时,在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子, 形成原始导电沟道。,P沟道耗尽型,N沟道耗尽型,结构示意图,耗尽层,S,G,D,UDS,ID
2、 = 0,D与S之间是两个 PN结反向串联, 无论D与S之间加 什么极性的电压, 总有一个PN结是反 向偏置,漏极电流 均接近于零。,5.5.2 场效应管的工作原理,(1) UGS =0,1.增强型NMOS管,P型硅衬底,N,+,+,B,S,G,D,。,耗尽层,ID = 0,(2) 0 UGS UGS(th),由柵极指向衬底方 向的电场使空穴向下移动,电子向上移 动,在P 型硅衬底的 上表面形成耗尽层。 仍然没有漏极电流。,UGS,N+,N+,UDS,1.增强型NMOS管,UGS(th):使 NMOS管导通的开启电压。,P型硅衬底,N,+,+,B,S,G,D,。,耗尽层,栅极下P型半导 体表面
3、形成N型导电 沟道,当D、S加上 正向电压后可产生 漏极电流ID 。,(3) UGS UGS(th),N+,N+,UGS,1.增强型NMOS管,通过控制UGS来控制导电沟道的宽度,从而控制电流ID。,N型硅衬底,N,+,+,B,S,G,D,。,耗尽层,PMOS管结构示意图,P沟道,PMOS管与NMOS管 互为对偶关系,使用 时UGS 、UDS的极性 也与NMOS管相反。,P+,P+,UGS,UDS,ID,2.增强型PMOS管,3. 耗尽型绝缘栅场效应管,夹断电压UGS(off)为正值, UGS UGS(off)时导通。,导电沟道在管子制成后就已存在,在漏源极加正向电压,就会有漏极电流ID,对于
4、耗尽型NMOS管:,当UGS0时,导电沟道变宽; UGS 0时导电沟道变窄。为了使UGS能从ID=0开始控制 ID的大小, 应使UGS 0,使ID=0的UGS称为夹断电压UGS(off)。,UGS UGS(off)时管子导通,夹断电压UGS(off)为负值。,对于耗尽型PMOS管:,4,3,2,1,0,5,10,15,UGS =5V,6V,4V,3V,2V,ID /mA,UDS =10V,增强型 NMOS 管的特性曲线,0,1,2,3,2,4,6,UGS / V,5.5.3 场效应管的特性曲线,UGs(th),输出特性,转移特性,UDS / V,ID /mA,(1)可变电阻区:UGS不变,ID
5、与UDS成正比,漏源之间相当于一个受UGS电压控制的可变电阻。,夹断区,4,3,2,1,0,5,10,15,UGS =5V,6V,4V,3V,2V,ID /mA,UDS =10V,增强型 NMOS 管的特性曲线,0,1,2,3,2,4,6,UGS / V,UGs(th),输出特性,转移特性,UDS / V,ID /mA,(2)饱和区(放大区):UDS大于一定值, ID几乎不随UDS变化, ID 受UGS的控制。相当于电压控制电流源。,夹断区,4,3,2,1,0,5,10,15,UGS =5V,6V,4V,3V,2V,ID /mA,UDS =10V,增强型 NMOS 管的特性曲线,0,1,2,3
6、,2,4,6,UGS / V,UGs(th),输出特性,转移特性,UDS / V,ID /mA,(3)击穿区:UDS过大,ID急剧增加。,夹断区,(4)夹断区: UGS UGS(th) ,场效应管截止,ID=0,4,3,2,1,0,5,10,15,UGS =5V,6V,4V,3V,2V,ID /mA,UDS =10V,增强型 NMOS 管的特性曲线,0,1,2,3,2,4,6,UGS / V,UGs(th),输出特性,转移特性,UDS / V,ID /mA,转移特性:,栅极对漏极电流的控制作用,场效应管是电压控制器件。,夹断区,5.5.4 场效应管的微变等效电路,绝缘栅型场效应管的栅源之间为一
7、层绝缘物质,即使在栅源之间加入电压,栅源之间也没有电流,管子的输入电阻很高,认为栅源之间开路。,5.5.4 场效应管的微变等效电路,场效应管工作在饱和区,表现出恒流特性,漏极电流的变化量ID与栅、源极间的电压变化量UGS成比例变化,即,场效应管小信号的微变等效电路,输出回路可等效为电压控制的受控电流源。场效应管小信号的微变等效电路如图所示,在UDS =0时,栅源电压与栅极电流的比值,其值很高。,5.5.5 绝缘栅场效应管的主要参数,1. 开启电压UGS(th),指在一定的UDS下,开始出现漏极电流所需的栅源电 压。它是增强型MOS管的参数,NMOS为正,PMOS为负。,2. 夹断电压 UGS(
8、off),指在一定的UDS下,使漏极电流近似等于零时所需的 栅源电压。是耗尽型MOS管的参数,NMOS管是负值, PMOS管是正值。,3. 直流输入电阻 RGS(DC),4. 低频跨导 gm,UDS为常数时,漏极电流的微变量与引起这个变化的 栅源电压的微变量之比称为跨导,即,另外,漏源极间的击穿电压U(BR)DS、栅源极间的击 穿电压U(BR)GS以及漏极最大耗散功率PDM是管子的极限 参数,使用时不可超过。,跨导是衡量场效应管栅源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数。,5.6 电力半导体器件,电力半导体器件是用来进行电能转换,功率控制与处理的核心器件。它与前面介绍的半导体器件不同,一方面它必
9、须要有高电压,大电流的承受能力,另一方面必须以开关模式运行。电力半导体器件有很多种类和不同的分类方式,按照开通、关断控制方式可分为三大类:,(1)不控型。这是一类两个极的器件,一端是正极,另一端是负极,其开通和关断由两个极所加电压来决定,常见的有大功率二极管、快速恢复二极管等。 (2)半控型。这类器件是三个极的器件,除了正负极外,还有一个控制极,它的开通可以通过控制极控制,但不能通过控制极控制关断。这类器件主要有晶闸管。,5.6 电力半导体器件,(3)全控型。这类器件也是三个极的器件,控制极不仅可以控制其开通,而且也能控制其关断,这类器件是电力半导体器件的主导方向,代表这类器件有控制极可关断晶
10、闸管GTO,双极型大功率晶体管BJT,绝缘栅型双极晶体管IGBT等。,晶闸管又称可控硅(SCR),是一种大功率半导体器件,主要用于整流、逆变电路中,具有体积小,耐压高的特点。,5.6.1 晶闸管,1. 晶闸管的基本结构及工作原理,晶闸管结构示意图及符号,晶闸管是一个PNPN四层结构的半导体器件,有三个PN结J1、J2、J3,引出三个极,分别为阳极A,阴极K,控制极G。,工作原理:,当晶闸管阳极A与阴极K两端加正向电压(uAK0),J2结处于反向偏置状态,器件A、K两端仍不导通,这种状态称为正向阻断状态。,当在晶闸管阳极A与阴极K两端加反向电压(uAK0),J1、J3结处于反向偏置状态,器件A、
11、K两端不导通,这种状态称为反向阻断状态。,工作原理:,并且即使电压uG消失,晶闸管仍可保持导通。因此控制极的作用只是使晶闸管触发导通,导通后控制极就失去了控制用。晶闸管导通时,阳极与阴极之间的正向压降一般为0.61.2V。,在这种情况下若在晶闸管的控制极G与阴极K间加一个正向电压uG,又称触发电压,且uG0,这个触发电压使晶闸管A、K两端导通,晶闸管一旦导通,就显示出了与二极管类似的正向特性。,若要关断晶闸管,可减小阳极电流IA到维持电流IH以下,使它由导通状态变为正向阻断状态而关断;或在阳极与阴极之间加反向电压,使其由导通状态变为反向阻断状态而关断。,综上所述,晶闸管的导通条件为:在阳极和阴
12、极间加正向电压,并在控制极和阴极之间加正向触发电压。晶闸管的关断条件:使IAIH或在阳极与阴极间加反向电压。因此可将晶闸管看成是一个可控的单向导电开关。,双向晶闸管。它是可以两个方向控制导通的晶闸管,其符号如图所示。用T1和T2分别表示两个极,G仍为控制极。,实际上它相当于两个反向并联晶闸管的组合,只是共用一个控制极,通过在控制极施加正负电压来控制晶闸管的双向导通。,双向晶闸管,通常uT2T10时,控制极与T1极间加正向电压,即uGT10,双向晶闸管为正向导通;,uT2T10时,在控制极与T1极间加反向控制电压,即uGT10,双向晶闸管为反向导通。,晶闸管有两个工作区域。当晶闸管承受反向电压,
13、且大小低于反向击穿电压UBR时,仅有极小的反向漏电电流,与二极管的反向特性类似。这时无论控制极是否有正向电压,晶闸管均不会导通,处于反向阻断状态。,晶闸管的特性曲线,2. 晶闸管的特性曲线,当反向电压超过一定值并达到反向击穿电压时,会使反向漏电电流急剧增大,导致晶闸管损坏。,当晶闸管两端加入正向电压、而控制极未加电压时,IG0,晶闸管处于正向阻断状态,只有很小的正向漏电电流IA。若晶闸管两端正向电压增加到某一数值时(UDSM),电流IA突然急剧增加,晶闸管在没有控制极电压作用下,由正向阻断变为导通,这个电压UDSM称为晶闸管的正向转折电压。,在正常工作时,一般不允许晶闸管上的正向电压值达到UD
14、SM,因为这将失去晶闸管控制极的作用,同时这种导通方法容易造成晶闸管的损坏。,若在控制极上加触发电压,则产生控制极电流,即IG0,这会降低转折电压,电流IG越大,转折电压越低。电流IG从控制极流入晶闸管、从阴极流出晶闸管。,双向晶闸管的特性曲线在第1和第3象限有对称的伏安特性。,双向晶闸管特性曲线,(1) 正向重复峰值电压UDRM UDRM是指控制极开路时,允许重复加在晶闸管上的最大正向电压,通常UDRM0.8UDSM,3. 晶闸管的主要参数,(2) 反向重复峰值电压URRM URRM是指控制极开路时,允许重复加在晶闸管上的最大反向电压,通常URRM0.8UBR。普通晶闸管的UDRM和URRM
15、的值为1003000V。,(3) 额定正向平均电流IF IF是指在规定环境温度和标准散热及晶闸管全导通条件下,允许晶闸管连续通过的工频正弦半波在一个周期内的平均值即,(4) 维持电流IH IH是指在控制极开路和规定环境温度下,维持晶间管导通的最小电流。当晶闸管正向电流小于IH时,晶闸管将自行关闭。,(5) 控制极触发电流IG IG是指在室温和阳、阴极之间直流电压为6V条件下,使晶闸管完全导通所需的最小控制极直流电流,从几毫安至几百毫安。,(6)控制极触发电压UG UG是指使晶闸管正向导通时,控制极所加电压,一般为15V。,5.6.2 晶闸管的应用,1.单相半波可控整流电路 (1) 电阻性负载,
16、当电源电压为正半周时,晶闸管T承受正向电压,在t1时刻,控制极加入触发电压uG,晶闸管从t1时刻开始导通,导通后负载上输出电压uo。当电压u下降接近零时,晶闸管因正向电流小于维持电流而关断。,设电压,在u的负半周,晶闸管T承受反向电压而阻断。在下一个周期的同一时刻再次加入触发电压,重复前一个周期的过程。,u,0,t,0,t,uo,0,t,uT,uG,u,uG,t1,t2,io,io,uo,称为控制角,控制晶闸管的导通时刻,称为导通角。在单相半波整流电路中与的关系为 180,导通角越大,输出电压越高。整流电路输出电压平均值为,输出电流平均值为,整流元件中流过的电流平均值,(2)电感性负载,由于电
17、感的存在,使电流io不能发生跃变。当晶闸管刚触发导通时,电流io将由0逐渐增加(因为电感元件中的感应电动势阻碍电流变化)电流达到最大值的时间滞后于电压uo达到最大值的时间。当电压下降到零后,电流io并不为零,在u变为负值以后仍能使晶闸管导通,这时感应电动势大于电压u,且极性仍使晶闸管导通,只有当io降低到维持电流以下时,晶闸管才关断。,感性负载半波可控整流电路,(b),u,0,t,0,t,uo,0,t,uT,uG,u,uG,t1,t2,io,io,uo,在交流电压u进入负半周以后,出现了一段晶闸管导通的时间,使输出电压uo出现了负值。电感越大,uo出现负值的时间越长,这样会使输出电压uo的平均
18、值下降。,为了避免这种情况出现,通常是在感性负载两端并联一个二极管(称续流二极管)。当u为正半周时,二极管D截止。当u为负半周时,二极管D两端承受正向偏压而导通,这时负载电流io(由感应电动势产生的)经二极管形成回路,则输出电压近似为零,晶闸管因承受反向电压而关断,,有续流二极管的感性负载半波可控整流电路,2. 单相半控桥式整流电路,(1)电阻性负载 将单相桥式整流电路的两个二极管用晶闸管替代,即构成了单相半控桥式整流电路。,单相半控桥电阻性负载整流电路,当电压u为正半周时,T1、D2承受正向偏压,若在t1时刻对晶闸管T1的控制极加入触发电压,则T1和D2导通,形成输出电压uo(上“”下“”)
19、,此时T2和D1承受反向偏压而截止。,当u为负半周时。T2和D1承受正向偏压。在t2时刻对晶闸管T2加入触发电压,则T2和D1导通,形成输出电压uo(仍为上“”下“”)。此时T1和D2承受反向偏压而截止。,2. 单相半控桥式整流电路,整流电路接电阻性负载时的输出电压平均值为,输出电流平均值为,整流元件中流过电流的平均值为,晶闸管和二极管所承受的最大正向电压和反向电压 均为,(2)电感性负载,单相半控桥电感性负载整流电路,uo,io,0,t,0,t,uo,u,uG,t1,t2,io,io,uo,u,uG,晶闸管和二极管所承受的最大正向电压和反向电压 均为,uo平均值,负载电流Io的平均值仍为,由
20、以上分析可以看出控制角增大,输出电压平均值减小,控制角减小,输出电压平均值增加。改变控制角,就改变了输出电压的大小。,例 单相半控桥电阻性负载整流电路,若RL10,U90V,试求30时,整流电压平均值Uo和整流电流平均值Io及整流元件所承受的最大反向电压。,最大反向电压,解,晶闸管是工作在开关状态,存在着产生高电压,大电流冲击的可能,因此要在电路中加入保护环节,避免造成晶闸管的损坏。对晶闸管的保护主要有过电流和过电压保护。,(1)过电流保护 快速熔断器。快速熔断器采用银质熔丝以保证在电流发生过载或短路时在短时间内及时切断电路,保护晶闸管不被损坏。快速熔断器可与被保护元件串联连接。,过电流继电器
21、。 过流继电器只对电路过载时起保护作用,过流继电器通常串联接在输入端或输出端。,3. 晶闸管的保护,过电压保护。 引起过电压的原因是在具有电感元件的电路中,当切断电路时,电路中电感元件会产生高电压,极易引起晶闸管的损坏。阻容保护是经常采用的一种过压保护措施,它是由电阻与电容的串联来吸收过电压,使元件上电压上升速度减慢。,RL,R,C,L,C,C,R,R,C,R,C,R,晶闸管过压保护电路,D1,D2,T1,T2,除了在晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压外,还必须在控制极与阴极之间加触发电压,才能使晶闸管导通。提供触发电压的电路称为触发电路,所需触发电压是一系列的触发脉冲信号。对触发电路的要求如下
22、:,5.6.3 晶闸管的触发电路,(1)有足够的触发功率。一般触发电压为410V,触发电流为数十至数百毫安。 (2)有足够的触发脉冲宽度,通常大于10s。并且触发电压波形的前沿要陡直。 (3)触发时间要准确,并与整流电路的交流电源同步。 (4)触发电压能在足够宽的范围内平稳移动。,1.单结晶体管的结构及工作原理,单结晶体管符号,在一块N型半导体上制成一个PN结,从P区引出发射极E,从N型半导体两端引出两个电极,分别称为第一基极B1和第二基极B2,B1和B2两个基极与N型半导体间有几千欧的电阻,发射极对B1B2均形成PN结,PN结可等效为二极管D。基极B1与N型半导体间的电阻为RB1,RB1是一
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 电源 技术
链接地址:https://www.31doc.com/p-2494386.html