电子节能灯及镇流器中所用开关器件.pptx
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1、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
2、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
3、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
4、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MOSFE
5、T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
6、,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
7、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
8、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
9、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,
10、)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
11、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
12、: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M
13、OSFET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/
14、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
15、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
16、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,
17、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
18、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
19、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
20、。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
21、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
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- 电子 节能灯 镇流器 所用 开关 器件
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