电子节能灯及镇流器中所用开关器件.pptx

1.半导体二极管半导体二极管功率二极管的结构和图形符号IUF0功率二极管的伏安特性曲线二极管的引线随其平均电流的加大而加粗,它本身具有一定的散热作用。在大电流的工作条件下,安装在电路板上时,引出线要适当留长一些,或将二极管紧贴到散热器上，以利于散热。当反向电压增加到一定值后，反向电流急剧增大，出现反向击穿现象,这个电压叫做反向击穿电压VBR.管子被击穿后，便失去单向导电性,呈永久性损坏。选用二极管时，必须充分注意这个极限值，防止二极管工作时反向电压过高而损坏。第1页/共72页1.半导体二极管半导体二极管整流二极管的主要参数 正向平均电流I F(AV) 功率二极管的正向平均电流I F(AV)是指在规定的管壳温度和散热条件下允许通过的最大工频半波电流的平均值, 元件标称的额定电流就是这个电流。实际应用中，功率二极管所流过的最大有效电流为I，则其额定电流一般选择为 正向压降UF 正向压降UF是指在规定温度下，流过某一稳定正向电流时所对应的正向压降。 反向重复峰值电压URRM 反向重复峰值电压是功率二极管能重复施加的反向最高电压， 通常是其雪崩击穿电压UB的2/3。一般在选用功率二极管时， 以其在电路中可能承受的反向峰值电压的两倍来选择反向重复峰值电压。 57. 1)25 . 1 ()(IIAVF第2页/共72页1.半导体二极管半导体二极管（一） 普通整流二极管 电子镇流器全部采用桥式整流电路来实现AC-DC转换。桥式整流器中的4个二极管是普通半导体功率二极管。普通整流二极管是含有一个半导体PN结的两端器件,其主要特点是具有单向导电性，即正向偏置时导通，反向偏置时截止。电子镇流器中桥式整流二极管的选用主要考虑正向电流和最高反向工作电压两个参数。普通整流二极管的主要参数及封装形式如下表所示。第3页/共72页1.半导体二极管半导体二极管第4页/共72页1.半导体二极管半导体二极管（二）快速恢复二极管 当由正向偏置跃变为反向偏置时，二极管并不是立刻截止，而是由正向电流变为很大的反向电流IR，如图所示。IR从t1维持到t2后才慢慢减小，到t3时刻，降至反向饱和电流IRS，二极管才真正进入反向截止状态，ts为存储时间，tf 为下降时间，trr(即ts+tf)称为反向恢复时间。第5页/共72页1.半导体二极管半导体二极管第6页/共72页1.半导体二极管半导体二极管 普通整流二极管的反向恢复时间太长(达0.5us以上)，不能作为开关使用。为了缩短二极管的反向恢复时间，采用专门的工艺在芯片上形成一些复合中心，使PN结两边的存储电荷很快复合而消失。这种反向恢复时间较短的二极管称为快速恢复二极管。快速恢复二极管的反向恢复时间最大值为500ns。反向恢复时间非常短(如小于100ns)的二极管被称为超快速恢复二极管。 在电子镇流器中，PFC电路中升压二极管和功率双极型晶体管及功率MOSFET的续流二极管必须使用快速恢复二极管。在PFC电路中，控制IC的辅助电源电路的高频整流二极管，除选用小信号高速开关二极管(如1N4148)外，有时也选用快速恢复二极管(如1N4935、MUR115和BYS11-90等)。在半桥驱动器电路中，连接于驱动器IC的引脚VCC与引脚VS(高端浮动电源回复之间的自举二极管也应当选用快速恢复二极管。第7页/共72页1.半导体二极管半导体二极管IR公司部分超快速恢复二极管的主要参数及封装形式第8页/共72页1.半导体二极管半导体二极管部分快速和超快速恢复二极管的外形封装。电子镇流器用快速和超快速恢复二极管的电流容量大多不超过8A。在100W以下的电子镇流器中，比较常见的快速和超快恢复二极管有1N4937（1A/600V，150ns）、BYV26C（1A/600V，25ns）、UF4005（1A/600V，75ns）、EGP20J（2A/600V，75ns）、EGP30J（3A/600V，75ns）、MUR856（3A/600V）、MUR860（8A/600V）及MUR160/MUR460等。第9页/共72页1.半导体二极管半导体二极管（三）小信号高速开关二极管 在电子镇流器中，最常用的小信号高速开关二极管是1N4148(100mA/75V)。这种高速开关二极管在电子镇流器中主要应用于3个方面：一是在PFC控制IC的辅助电源中用于高速 整流；二是在功率开关晶体管和MOSFET的驱动电路中作为加速元件使用，以改善功率器件的开关特性；三是在半桥驱动与控制IC的VCC电荷泵或辅助电源电路中应用。 在MOSFET的栅极，负极连接驱动电路的输出端。在双极型功率晶体管的基极驱动电路中，1N4148的正极通常连接晶体管的发射极,负极通过一个电阻（如47欧 ）连接晶体管的基极。在高性能电子镇流器中，1N4148的用量较大。在灯故障检测电路中，也常采用1N4148作为高频采样信号的整流器件，1N4148通常采用DO-35玻璃封装，价格较低。第10页/共72页1.半导体二极管半导体二极管（四）双向触发二极管 由分立元器件组成的电子镇流器中，双向触发二极管通常应用于自振荡启动电路中。双向触发二极管也称作双向开关二极管或两端交流开关(Diac)。为了降低成本，目前双向触发二极管大多采用NPN型晶体管，如图4-4（b）所示，图4-4(a)所示为双向触发二极管的图形符号，双向触发二极管大多采用DO-35玻璃封装(管壳呈蓝色)或TO-92塑料封装,外形如图4-5所示。双向触发二极管具有正向和反向对称的伏安(V-I)特性，如图4-6所示。 当外加电压低于击穿电压(VBO)时，器件呈截止状态，在此状态下器件中有很小的漏电电流通过。一旦外加电压超过VBO值，器件则进入负阻区，然后进入导通状态。双向触发二极管导通后，其导通电压降随电流增大而略有增加，双向触发二极管导通态电压降VT，都是在规定电流IT下的测试值。如果通过器件的电流低于维持电流IH，器件将由导通跃变到阻断态。 第11页/共72页1.半导体二极管半导体二极管电子镇流器中双向触发二极管的损坏率是比较高的。在没有晶体管特性曲线示仪等专门测试仪的情况下，可利用万用表检测其好坏。将万用表置于R1k或R10k档测量其正向和反向电阻，器件完好时的正、反向电阻值趋于“无穷大”，表针不摆动。第12页/共72页1.半导体二极管半导体二极管 用于电子镇流器的双向触发二极管中有代表性的产品是DB3，该器件的击穿（转折）电压为28-36V(典型值为32V).采用三层结构和平面工艺制作的器件（大多为TO-92封装，）其导通态电压降VT均比较大（20-25V）。这种器件允许通过的峰值脉冲电流为5mA，在应用中应附加一个足够大的限流电阻。 图4-7所示的荧光电子镇流器电路使用了两个双向触发二极管（VD6和VD8）。VD6（DB3）被用于由R1、C2、VD5和VD6组成的启动电路中。在接通电源后，整流滤波后的电压通过R1对电容C2充电。当C2上的电压超过VD6的击穿电压值后，VD6导通，从而触发半桥低侧开关VT2首先导通。借助于磁环变压器T1各绕组的耦合建立起振荡。在 VT2导通时，C2通过VD5和VT2放电，使VD6由导通转换为截止。T2的次级绕阻（Ws）、VD9、R5、C6、VD8、VT3和VD7组成故障检测与保护电路。在常态下VD8是截止的。一旦出现异常状态，T2的次级绕阻Ws会感应到一个突然升高的电压，双向触发二极管VD8击穿导通，至使VT3导通，将VT2的栅极的电压拉低到其栅极开启门限电平以下，VT3截止，半桥停止振荡。只有异常情况解除后，振荡电路才能重新开始工作。 第13页/共72页1.半导体二极管半导体二极管第14页/共72页2.双极型三极管双极型三极管 双极型晶体管（BJT）既可以作为开关使用，也可以用于放大。电子镇流器中使用的双极型晶体管绝大多数作为开关使用。其中，功率晶体管在半桥电路中被用作开关，并且几乎全部为NPN型器件，小功率晶体管则在保护电路中用作开关。双极型功率管的特点:1、双极型晶体管是一种电流驱动器件，其基极驱动电路比较复杂，而驱动条件的选择相对于功率MOSFET管来说比较困难。2、双极型晶体管中少数载流子的存储时间ts在开关时间（延迟时间td、上升时间tf、在存储时间ts）和下降时间tf)中占主导地位，成为决定晶体管开关速度的主要因素。电子镇流器用晶体管的工作频率一般不应超过55kHz。3、双极型晶体管存在二次击穿（即负阻击穿）等固有缺陷，其安全工作区（SOA）受到限制。4、双极型晶体管的饱和电压降VCE（sat）低，导通态功率损耗小。5、价格低于同等功率的MOSFET管。 双极型功率晶体管正是由于具有价格低和饱和电压低的特点，在电子镇流器中并没有被MOSFET管所替代。我国生产的电子节能灯大多采用双极型功率晶体管。日本生产的电子镇流器选用双极型晶体管作为开关的情况也较普遍，而欧洲生产的电子镇流器则较多的选用功率MOSFET管。第15页/共72页2.双极型三极管双极型三极管双极型三极管(晶体管)的开关特性 双极型晶体管是电流型控制器件，作为开关元件，不仅具有开关作用,也具有放大作用。 晶体管的三个工作区域第16页/共72页2.双极型三极管双极型三极管第17页/共72页2.双极型三极管双极型三极管第18页/共72页2.双极型三极管双极型三极管 晶体管的开关时间 第19页/共72页2.双极型三极管双极型三极管1、晶体管的基极驱动电路 第20页/共72页2.双极型三极管双极型三极管 晶体管常见的几种加速驱动电路 第21页/共72页2.双极型三极管双极型三极管 在图（a）所示的开关驱动电路中，并联于RB两端的CB称为加速电容，数值一般为1000-3300pF。当Nb上端产生一个正的驱动电压时，CB两端电压不能突变，如同短路一样，可以为VT1提供很大的正向基极电流，使VT1立即导通。之后CB被充电至激励电压的峰值而进入稳态。当晶体管的驱动电压跃变为0时，CB两端的存储电压立即加到VT1的发射结上，可以形成很大的反向基极抽取电流和反向电流，使VT1迅速关闭并进入稳态。由此可见，CB在不影响稳态的情况下，可以瞬间提供很大的基极正向电流和反向电流，既加速导通，又加速关断，促进了VT1饱和与截止之间的变化。第22页/共72页2.双极型三极管双极型三极管 在图（b）所示的开关管基极驱动电路中，高速开关二极管（IN4148）与电阻R1的作用是当晶体管VT1截止时，为反向基极电流提供一个低阻抗的通路。图（c）所示的电路中，并联于功率开关晶体管VT1基极电阻R8两端的高速开关二极管VD1的作用是当VT1截止时，吸收反向基极电流，通过对基极和发射极间的电容放电，达到减少储存时间的目的。第23页/共72页2.双极型三极管双极型三极管2、双极型功率晶体管的保护电路用作开关的双极型功率晶体管在高速运行中，受到电应力的冲击。这种电应力，是由工作于开关状态的晶体管中的电流变化量di/dt和施加在晶体管上的电压变化率dv/dt而产生的瞬态过电流和瞬态过电压所引起。电应力的本质是瞬时功耗（能量）的集中。电压和电流过冲形成的“尖峰”、“毛刺”，一旦超出器件的安全工作区，尤其是在较高温度下，极易毁坏晶体管。晶体管在整个开关周期内，最危险的情况是出现在晶体管关断时。尤其是晶体管在电感性负载情况下，当晶体管截止时，会产生非常高的尖峰电压。这种反峰电压的瞬时能量远远高出晶体管的承受能力，而将晶体管摧毁。为防止开关晶体管损坏，可以采取一些保护措施。最简单的保护方案就是在开关晶体管的反射极与集电极之间连接一个阻尼二极管，并且二极管的正极接反射极，负极接集电极，如图（a）所示。阻尼二极管的作用是当开关晶体管的集电极电压突然变负时提供电流通路。使晶体管旁路，直到集电极电压变正时为止。这种阻尼二极管可以防止开关晶体管反向导通而损坏。这种用作保护的阻尼二极管也称单向传输或单项导通二极管（freewheeling diode），也称续流二极管。目前有很多功率开关器件都集成有阻尼二极管。功率小一些的开关晶体（如MJE13005）一般没有内装阻尼二极管。由于开关晶体管dv/dt相当高，用作保护的阻尼二极管必须选用快速恢复型二极管，以保证有非常快的速度开通，将晶体管集电极峰值电压箝位到VCC。第24页/共72页2.双极型三极管双极型三极管第25页/共72页2.双极型三极管双极型三极管 用作开关晶体管保护的阻尼网络如图（b）至（d）所示。图（b）称作RC阻尼电路。在晶体管关断是RC吸收网络能抑制晶体管集电极与反射极之间出现的浪涌冲击电压。图（c）示出的是充、放电型RCD阻尼网络，适用于带有较窄反向偏置安全工作区的器件浪涌电压抑制。当晶体管关断时，电容C通过二极管被充电，充电电压接近Vcc。当晶体管导通时，C再经电阻R放电。实际上，吸收回路消耗了一定的功率，减轻了开关管的负担。充、放电型RCD吸收电路损耗较大，不太适应较高频率场合下的应用。图（d）所示的是放电阻塞型阻尼网络。该类型的RCD吸收电路的损耗较小，虽然对浪涌冲击电压的抑制作用不是很明显，但在开关管导通时集电极冲击电流的吸收效果比较显著。当开关管关断时，二极管对电阻充当短路器，可提高对电压的吸收效果。电容C的容量不能太小，否则会增大开关损耗。如果C的容量过大。则将增加损耗，原因是在开关管导通时，C中的储存不能充分地回复到电源。第26页/共72页2.双极型三极管双极型三极管3、双极型功率晶体管参数的选择（1）功率晶体管耐电压参数的选择 对于双极型功率晶体管的耐电压能力，应重点考虑集电极与发射极之间的冲击电压。 在未采用有源PFC电路的电子镇流器中，即使交流线路电压VAC达270V，整流和滤波后的电压也不会超过VAC =270V 382V。因此，选择BVCEO400V是可以满足耐电压要求的。在晶体管基极驱动电路中，在基极和发射极之间连接了一个较小的基极电阻和一个小电感线圈。在此情况下，BVCERBVCES。当BVCEO=400V时，BVCER和BVCES通常达700V。当晶体管的基极与发射极之间为低阻抗网络时，BVCER和BVCES参数显得比BVCEO更加重要。BVCEO为360V的晶体管，其BVCER值可达400V以上，所以用于电子镇流器中仍然能够可靠地工作。当电子镇流器采用了有源PFC电路时，由于有源PFC变换器的直流输出电压通常为380410V（典型值为400V），只要半桥中功率晶体管BVCEO的值大于450V，一般则可以满足要求。如果电子镇流器的输入端采用了压敏电子作为浪涌或过电压保护元件，则要求功率晶体管的BVCEO值大于压敏电子的压敏钳位电压值。第27页/共72页2.双极型三极管双极型三极管（2）功率晶体管集电极电流的选择 功率晶体管的集电极电流参数有两个，一个是直流集电极电流IC，另一个是脉冲或峰值集电极电流（脉冲宽度tp5ms）ICM。在一般情况下，ICM=2IC。 在实际设计中，所要求的集电极电流及其峰值远远大于计算值。目前普遍流行的功率晶体管选择法则见表所示。 在电子镇流器的半桥逆变器电路中，当选择双极型供给功率晶体管作为开关时，应将工作频率限制在50kHz以下。 第28页/共72页2.双极型三极管双极型三极管 4、常用双极型功率晶体管及其主要参数第29页/共72页2.双极型三极管双极型三极管 如图所示为双极型功率晶体管的外形封装及其引脚排列。第30页/共72页电子镇流器中的全控型功率开关器件第31页/共72页电子镇流器中的全控型功率开关器件第32页/共72页全控型功率开关器件应用电路系统组成全控型功率开关器件应用电路系统组成电子镇流器中的全控型功率开关器件第33页/共72页P PMOSFETMOSFET的结构与工作原理MOSFET的类型很多，按导电沟道可分为P沟道和N沟道； 电力场效应晶体管是多元集成结构，即一个器件由多个MOSFET单元组成。MOS管是靠多数载流子工作的单极型器件，开关损耗小，安全工作区较大，热稳定性好，工作频率高，是电压型器件。MOSFET单元结构如图所示，有三个引脚，分别为源极S、栅极G和漏极D。3.功率场效应晶体管第34页/共72页管子符号如图4-18（a）所示，三个引脚，S为源极，G为栅极， D为漏极。 源极的金属电极将管子内的N+区和P区连接在一起，相当于在源极（S）与漏极（D）间形成了一个寄生二极管。管子截止时，漏源间的反向电流就在此二极管内流动。为了明确起见，常又将P-MOSFET的符号用图4-18（b）表示。如果是在变流电路中，P-MOSFET元件自身的寄生二极管流通反向大电流，可能会导致元件损坏。为避免电路中反向大电流流过P-MOSFET元件，在它的外面常并接一个快速二极管VD2， 串接一个二极管VD1。 因此，P-MOSFET元件在变流电路中的实际形式如图4-18（c）所示。 3.功率场效应晶体管第35页/共72页MOSFET单元结构 3.功率场效应晶体管第36页/共72页PM图形符号 3.功率场效应晶体管第37页/共72页 MOSFET的工作原理 当栅源极间的电压UGS0或0UGSUV（UV为开启电压，又叫阈值电压，典型值为24 V）时，即使加上漏源极电压UDS，也没有漏极电流ID出现，PM处于截止状态。 当UGS UV且UDS 0时，会产生漏极电流ID， PM处于导通状态，且UDS越大，ID越大。 另外， 在相同的 UDS下， UGS越大， ID越大。 综上所述， PM的漏极电流ID受控于栅源电压UGS和漏源电压UDS PM的转移特性。 3.功率场效应晶体管第38页/共72页 PM的转移特性是指电力场效应晶体管的输入栅源电压UGS与输出漏极电流ID之间的关系，如下图所示。当ID较大时，该特性基本为线性。曲线的斜率gm=iD/UGS称为跨导，表示PM栅源电压对漏极电流的控制能力。仅当UGSUT时，才会出现导电沟道，产生栅极电流ID。转移特性反映了该器件是电压型场控器件。由于栅极的输入电阻很高，可以等效为一个电容，所以栅源电压UGS能够形成电场，但栅极电流基本为零。因此， MOSFET的驱动功率很小。3.功率场效应晶体管第39页/共72页PM的转移特性 3.功率场效应晶体管第40页/共72页PM的输出特性，是以栅源电压为参变量，漏极电流与漏极电压关系之间的曲线族。输出特性曲线分为三个区域：非饱和区，饱和区，雪崩区和截止区。在区内，漏源电阻RDS的阻值是变化的。固定栅极电压UGS，漏源电压UDS从零上升过程中，漏极电流ID首先线性增长，接近饱和区时，ID变化缓慢，达到饱和区后，此后UDS虽然增大，但ID维持恒定。当MOSFET用做线性放大时，工作在饱和区。从该区域中可以看出，在同样的漏源电压下，UDS越高，漏极电流ID也就越大。但当UGS继续增大时，进入雪崩击穿区。在应用中要避免出现这种情况，否则造成器件的损坏。 3.功率场效应晶体管第41页/共72页PM的输出特性曲线 3.功率场效应晶体管第42页/共72页P-MOSFET的主要特点在电子镇流器中作为开关使用的功率MOSFET管，与其他类型和用途的MOSFET管一样，具有以下几个方面的特点： MOSFET是一种电源控制型器件，输入阻抗高，属于纯容性元件，驱动电路远比电流控制型的双极型晶体管简单，并且驱动功率较小。 MOSFET是一种依靠多数载流子工作的单极型器件，不存在少数载流子的存储效应，开关速度快，工作频率可达1 MHz，使电路可以使用小型化的磁性元件。 MOSFET不存在双极型晶体管固有的二次击穿现象，具有较大的安全工作区，热稳定性好，可靠性高，尤其适合在大功率条件下应用。 MOSFET的栅极与源极之间的击穿电压BVCS一般不低于20V，栅极与源极之间的开启门限电压VCAS(tb)通常为24V，漏极电流ID大于3A的器件几乎全部嵌入了快速恢复型续流二极管。 MOSFET的导通态（漏极与源极之间）电阻RDS(ON)较大，而且具有正的温度系数，导通损耗较大。从价格上看，MOSFET与性能相同或相近的双极型晶体管比较，普遍要高出约30%。3.功率场效应晶体管第43页/共72页P-MOSFET的动态特性 3.功率场效应晶体管第44页/共72页重要参数（1）漏极电压UDS：就是PM的额定电压，选用时应小于漏源击穿电压BUDS，必需留有较大安全余量。（2）漏极连续电流ID：就是PM允许通过的最大漏极连续电流，其大小主要受管子的温升限制，应小于峰值电流IDM。（3）栅源电压UGS：栅极和源极之间的绝缘层很薄，承受电压很低，一般不能超过20V，否则绝缘层可能被击穿而损坏。（4）通态电阻Ron：在确定的UGS下，PM由可调电阻区进入饱和区时的直流电阻为通态电阻。输出功率的大小与该参数直接相关。 3.功率场效应晶体管第45页/共72页 场效应MOS管与双极型晶体管的比较如表所示。第46页/共72页1、场效应MOS管的驱动电路场效应MOS管门极驱动电路的要求： (1)可向门极提供所需要的开通栅压（典型+15V），关断栅压(-15V-5V)以保证MOS管的可靠导通和关断。 (2)为提高器件的开关速度，应减小驱动电路的输入电阻以及提高门极充放电速度。 (3)通常要求主电路与控制电路间要实现电气隔离。 (4)应具有较强的抗干扰能力，这是因为MOS管的工作频率和输入阻抗都较高，易被干扰。 场效应MOS管的驱动有直接驱动和隔离驱动。直接驱动电路如图中的(a)和(b)所示。第47页/共72页t0uGTUG1UG2理想的栅极控制电压波形3.功率场效应晶体管第48页/共72页P-MOSFET的驱动 (1) 直接驱动3.功率场效应晶体管第49页/共72页 在图的(a)图中，电阻R1的作用是限流和抑制寄生振荡，一般为10到100，R2是为关断时提供放电回路的；稳压二极管D1和D2是保护MOS管的门极和源极；二极管D3是加速MOS的关断。在图 (b)图中，当MOS管的功率很大时，而PWM控制芯片输出的PWM信号不足已驱动MOS管时，加互补三极管来提供较大的驱动电流来驱动MOS管。电阻R1和R3的作用是限流和抑制寄生振荡，一般为10到100，R2是为关断时提供放电回路的；二极管D1是加速MOS的关断。3.功率场效应晶体管功率场效应晶体管第50页/共72页 隔离驱动可采用脉冲变压器和光耦隔离，如图中的(a)和(b)所示。图的(a)所示的电路在电子镇流器中经常采用，信号来自磁环脉冲变压器，电路中的PNP管是为了加速MOS场效应管漏极电流的下降速率。当栅极驱动电压突然下降到门限电压UV以下时， PNP管Q2导通，为输入电容提供放电回路，使栅极电压快速下降，漏极电流得以快速关断，从而提高了开关速度。图的(b)所示的电路采用光耦合隔离并由V1、V2组成的推挽输出驱动栅极。当控制脉冲使光耦合关断时，光耦合输出低电平，使V1截止，V2导通，MOS管在VDW1的反偏作用下关断。当控制脉冲使光耦合导通时，光耦合输出高电平，V1导通，V2截止，经UCC、V1 、RG产生的正向电压使MOS管开通，VDW2用于限制驱动电压幅度。3.功率场效应晶体管功率场效应晶体管第51页/共72页(2) 隔离驱动3.功率场效应晶体管第52页/共72页 场效应MOS管的保护措施（1）过压保护 首先避免栅源极间的过电压，在栅源极间并接两个背靠背连接的稳压二极管（15V左右），其目的在于限制脉冲电压的幅度，使之小于20V，避免器件损坏。也要避免栅源极开路，可能会产生较高的VGS尖峰脉冲，将栅源间的绝缘层击穿而造成器件损坏，或造成MOS场效应管误导通。（2）过流保护 负载的突然接入或断开有可能会产生很高的冲击电流，超过了漏极电流的极限值而造成器件损坏。应通过电流传感器或电阻采样负载电流，由保护电路关断栅极驱动信号，并及时将电路断开。（3）过热保护 安装散热器保证管子的温度工作在允许的工作范围内，或利用温度传感器检测MOS场效应管的壳温，当超过允许温度时，切断主电路以实现过热保护。 （4）防止静电击穿 MOS管场效应管的栅源极间具有很大的输入电容，极易吸收电荷而引起静电击穿，造成栅源极间短路。人体在干燥的环境中表体电位很高，是引起MOS场效应管静电击穿的主要电荷源。所以，在测试和接入电路之前，器件应放在防静电包装袋、导电材料或金属容器中；取用时应拿管壳部分，而不能拿引脚；在焊接MOS场效应管引脚时，可将其栅源之间短路（用铜线或焊锡丝将栅源两脚短接起来），避免静电将器件损坏。3.功率场效应晶体管功率场效应晶体管第53页/共72页场效应MOS管的选择 在电子镇流器中作为开关使用的功率MOSEFT的选择，主要应考虑3个参数，即漏极与源极之问的击穿电压BVDSS、连续漏极电流ID和导通态电阻RDS（on）。 如果电子镇流器不带有源PFC电路，半桥中的两个功率MOSFET的BVDSS值不应低400V。如果电子镇流器采用了有源PFC电路，作为开关使用的PFC电路和半桥中的功率MOSFET共3个)的耐压通常为500600V，对于BVDSS=600v 、ID 2 A的MOS管，要求RDS（on）6。关于对电流容量ID的要求，应依据灯功率而定，具体参考下表。 第54页/共72页3.功率场效应晶体管功率场效应晶体管第55页/共72页（一）IGBT的主要特点 1、与MOSFET一样，IGBT是一种电压驱动场控型器件，其输入阻抗高，开关频率高，栅极驱动功率极小，驱动电路简单。2、IGBT的电流密度大，为MOSFET的10倍，导通电阻小，在给定芯片尺寸和BVceo值下，不到MOSFET导通电阻的10%。3、IGBT的击穿电压高，安全工作区大，可靠性高，在瞬态大功率下不容易损坏。4、开关速度快，关断时间短，开关频率达100kHZ以上，接近于MOSFET。IGBT的价格远高于性能相同的双极型晶体管，但有些器件的价位接近MOSFET。4.绝缘栅双极型晶体管(IGBT)第56页/共72页1、 IGBT的结构三端器件：栅极G、集电极C和发射极EEGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极 栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号4.绝缘栅双极型晶体管(IGBT)第57页/共72页IGBT的简化等效电路 GRBCPNPJ1NPNJ2J3ERBE4.绝缘栅双极型晶体管(IGBT)第58页/共72页IGBT的图形符号 GECV14.绝缘栅双极型晶体管(IGBT)第59页/共72页2、 IGBT的工作原理 驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。导通：uGE大于开启电压UGE(th)（3-6V）时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。4.绝缘栅双极型晶体管(IGBT)第60页/共72页IGBT的伏安特性和转移特性(a) 伏安特性； (b) 转移特性 的基本特性O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加转移特性转移特性IC与UGE间的关系(开启电开启电压压UGE(th)输出特性输出特性分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。ab4.绝缘栅双极型晶体管(IGBT)第61页/共72页ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICMIGBT的开关过程4.绝缘栅双极型晶体管(IGBT)第62页/共72页3、 IGBT的栅极驱动电路及其保护栅极驱动电路 由于IGBT的输入特性几乎和P-MOSFET相同，因此P-MOSFET的驱动电路同样适用于IGBT。 1） 采用脉冲变压器隔离的栅极驱动电路 如图是采用脉冲变压器隔离的栅极驱动电路。其工作原理是：控制脉冲ui经晶体管V放大后送到脉冲变压器，由脉冲变压器耦合，并经VDW1、VDW2稳压限幅后驱动IGBT。脉冲变压器的初级并接了续流二极管VD1，以防止V中可能出现的过电压。 R1限制栅极驱动电流的大小，R1两端并接了加速二极管，以提高开通速度。 4.绝缘栅双极型晶体管(IGBT)第63页/共72页采用变压器隔离的栅极驱动电路IGBTVDW1VDW215 VVD2VD1V UDDR1RLui4.绝缘栅双极型晶体管(IGBT)第64页/共72页 2） 推挽输出栅极驱动电路 4.绝缘栅双极型晶体管(IGBT)第65页/共72页 上图是一种采用光耦合隔离的由V1、V2组成的推挽输出栅极驱动电路。当控制脉冲ui为低电平时使光耦合关断时，光耦合输出低电平，使V1截止，V2导通，IGBT管在VDW1的反偏作用下关断。当控制脉冲ui为高电平时使光耦合导通时，光耦合输出高电平，V1导通，V2截止，经UCC、V1 、RG产生的正向电压使IGBT管开通。 4.绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管(IGBT)第66页/共72页 3） 专用集成驱动电路 EXB系列IGBT专用集成驱动模块是日本富士公司出品的， 它们性能好，可靠性高，体积小，得到了广泛的应用。 EXB850、EXB851是标准型， EXB840、 EXB841是高速型， 它们的内部框图如图4-28所示，各管脚功能列于表4-2，表4-3是其额定参数。 4.绝缘栅双极型晶体管(IGBT)第67页/共72页EXB8驱动模块框图 过流保护5461514AME23194.绝缘栅双极型晶体管(IGBT)第68页/共72页集成驱动器的应用电路 EXB850851840841615254319C2C1RGIGBTUCC0 VIj驱动信号过流保护20 V隔离电源4.绝缘栅双极型晶体管(IGBT)第69页/共72页IGBT的保护 1) 过电流保护 IGBT应用于电力电子系统中， 对于正常过载（如电机启动、 滤波电容的合闸冲击以及负载的突变等），系统能自动调节和控制，不至损坏IGBT。对于不正常的短路故障，要实行过流保护，通常的做法是： (1) 切断栅极驱动信号。只要检测出过流信号，就在2s内迅速撤除栅极信号。 (2) 当检测到过流故障信号时，立即将栅极电压降到某一电平， 同时启动定时器，在定时器到达设置值之前，若故障消失， 则栅极电压恢复正常工作值；若定时器到达设定值时故障仍未消除，则使栅极电压降低到零。 这种保护方案要求保护电路在12 s内响应。 4.绝缘栅双极型晶体管(IGBT)第70页/共72页 2) 过电压保护 利用缓冲电路能对IGBT实行过电压抑制并限制过量的电压变化率du/dt。但由于IGBT的安全工作区宽，因而改变栅极串联电阻的大小可减弱IGBT对缓冲电路的要求。然而，由于IGBT控制峰值电流的能力比P-MOSFET强，因而在有些应用中可不用缓冲电路。 3) 过热保护 利用温度传感器检测IGBT的壳温，当超过允许温度时， 主电路跳闸以实现过热保护。 4.绝缘栅双极型晶体管(IGBT)第71页/共72页感谢您的观看！第72页/共72页