3-Power_P 现代电源控制

1、第三章第三章 基本电力电子器件及其驱动基本电力电子器件及其驱动3-1 功率二极管（功率二极管（Power Diode)1静态特性静态特性 电导调制效应：电流注入载流子数电阻率多子保持电中性uD DiD D电导调制效应mAA 反向阻断雪崩击穿0.51.2V2动态特性动态特性开通过程：tiD DtFRUFRP理想iD DiD D实际理想uD D实际uD DuD D2V势垒电容体电感正向恢复时间2动态特性动态特性关断过程：tiD DUFRP理想uD D理想iD DIRRPUR实际iD DuD D实际URRP25%IRRPtRR由UR、线路电感、体电感决定反向充电建立势垒 因正向电导调制效应且电流大：

2、tFR tRR (普通100s) 普通PD 100usPD等效模型：2动态特性动态特性外壳电容体电阻体电感引线电感势垒+ 扩散 电容PN结电阻3PD的分类的分类 快恢复二极管 （Fast Recovery Diode 0.2us) 软恢复二极管 （Soft Recovery Diode 0.51us) 势垒（肖特基）二极管 （Schottky Barrier Diode 50ns)tiD D理想iD D普通iD DiD D软恢复iD D快恢复3-2 功率晶体管功率晶体管1结构结构 三重扩散台面型结构：GTR- Giant TransistorBJT - Bipolar Junction Tra

3、nsistor PN-N+N+BEC台面结构面积大I 大；轻掺杂大V梯度V大；但小。2类型类型单管：=10 15，驱动电流大复合（达林顿）管：NPNT1T2PNPT1T2CT1T2R1R2D1D2BE T2的C结未正偏，Uces大； T1T2 顺序动作，速度慢。GTR（达林顿）模块：多级复合、单桥臂、桥 R1、R2提供Icb的通 路提高热稳定性； R2分流T1穿透电流， 保证关断可靠。 D1抽取T2发射结电 荷，加速T2与T1同 步关断。静态特性：3GTR的特性的特性iC CuCECE准饱和区深饱和区截止区二次击穿区二次击穿临界曲线放大区iC CuCECEsnsICMiC CuCECEUCEM

4、PCMPSBSOACTston251 一次击穿与二次击穿 安全工作区SOASOASafe Operation Area动态特性：3GTR的特性的特性iC CiB BRBRCUCCiB BiC Cttt1 1t2 2t3 3t4 4tS StC CIBIC0.9IB0.1IB0.9IC0.1ICt1延迟时间t2上升时间t3存储时间t4下降时间ts开通时间 （ n s 级）tc关断时间 （s 级）准饱和加速电容基本要求：4驱动电路（驱动电路（Drive Circuit）IBP+IBP-s5s2s50.IBhFEhFES).(6050hFEIICMB)./().(6050251 Ic 较大时，增 I

5、B 可降 Uces；深度饱和与快速关断相矛盾。BBPII3BPBPIIICUCES1VIB=0.5AIB=1A30A 3过驱动系数 增 IBP- 可加速关断，但电流变化率增大。一般取：基本驱动电路基本驱动电路 D1：UBE+UD2+UD3 = UD1+UCEST1T2R1R2D1uBD3D2D4E1E2C1GTR贝克钳位电路 UCES = UBE+UD2+UD3 UD1 = UBE + UD2 （一般取0.73V)使GTR集电结反偏或零偏准饱和准饱和 D1应为快恢复管，D2、D3为普通管集成驱动电路集成驱动电路 EXB356：150A/600V；IBP=+3A/-3.4A、 IIN= 39mA

6、EXB356 (富士 日) UAA4002 (汤姆逊 法)M57950 (三菱 日) 69215V312679V9V4EXB3563-3 功率场效应晶体管功率场效应晶体管1小功率小功率MOSFET的分类与结构特点的分类与结构特点 因工艺和结构差异名称不同。如： Motorola TMOS NEC VDMOS Siemens SiPMOSPower MOSFET结 型绝缘栅型增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道Power MOSFETDSG1小功率小功率MOSFET的分类与结构特点的分类与结构特点PN+DGN+SmmVuGS/54100反型层 电压控制，输入阻抗高。147410101010:MO

7、SGTR 单极型，温流负反馈， 温度稳定性高，无二次击穿。 横向导电，电流小，耐压低。 适合于MOS IC。2功率功率MOSFET的结构特点的结构特点 胞元并联结RDS小， 可达m。 垂直导电VD，面积 大，电流大； 无电导调制效应，UDSS 较GTR大。 N- -DGSPN+N+PN+N+ N+ 轻掺杂，电阻率大， 耐压高； 沟道短D-S间U、R、 C均小；静态特性：3PMOSFET的特性的特性饱和区 调阻区 雪崩击穿区 安全工作区安全工作区SOAiD DuDSDSUGSGSiD DuGSGS跨导gUIGSD开启电压UGST 1.5 4V - 5 6mV/ 转移特性转移特性 输出特性输出特性

8、SOASafe Operation AreaIDMiD DuDSDSUDMPCMRONSOA动态特性：3PMOSFET的特性的特性CGDDSGCGSCDS？密勒效应、位移电流密勒效应、位移电流RSRFRLRGUCCiD DuP Pt1开通延时t2上升时间t3关断延时t4下降时间ts开通时间 （ n s 级）tc关断时间 （n s 级）iD Dttt1 1t2 2t3 3t4 4UGSTtuGSGSUCC/RLuP PRs、Cin决定开关速度4ZVS Buck变换器变换器(谐振开关谐振开关)C1CL1ROiDuSiSUiLUOCuD1LiDiSt0uCuDUit0t0t01IOUOUi-IO23

9、4IOOFFtONt可加驱动iLDSIOUiLiIOUiIOUiIOCu谐振UiCuLiIO S并联C如何开通？ZVS 开通/关断有效抑制有效抑制Miller 效应效应ZCS 开通Ismax = IO 输出电压的调节 T4fsUDUo3-4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1IGBT的结构的结构IGBT N- -CGEPN+N+PN+N+ N+ P+DSGCEN+NP+PPEN区体电阻GCERNRPGCERNGECIGBT Insulated Gate Bipolar Transistor静态特性：2IGBT的特性的特性 转移特性转移特性UST 34VuGEGEiC C 输出特性输出特性饱和区

10、iCuCEUGE23V 饱和电压特性饱和电压特性uCESiC C25125负正动态特性：2IGBT的特性的特性iCtt1 1t2 2t3 3t4 4USTuGEUGEM0.1UGEMICM0.9ICMtONtOFF0.1ICM0.9UGEMuCEMOSONGTRONMOSOFFGTROFFt钳位效应钳位效应：G-E 驱动电流 二极管正向特性拖尾电流拖尾电流MOS已经关断，IGBT存储电荷释放缓慢3IGBT的擎住（的擎住（Latch）效应）效应GCERNRPSCR 静态擎住静态擎住 动态擎住动态擎住 过热擎住过热擎住P区体电阻区体电阻RP引发擎住引发擎住关断过急关断过急位移电流位移电流ECEJi

11、dtduCCJPN结电容RG 不能过小，限制关断时间。RP 及PNP、NPN 电流放大倍数因温度升高而增大。（125时ICM降至1/2）4IGBT的通态特性的通态特性O42461088121620VUge/VUce/40A200A100ACTC25ccesonIUR5IGBT的电流容量的电流容量 最大连续电流最大连续电流 IC506012018030024075100125150CTc/AIC/CTjm15025CTAICC125250 最大脉冲电流最大脉冲电流 ICM 最大开关电流最大开关电流 ILMCCMoncIImstCT)(;32125规定条件下，可重复开关电流的最大值。规定条件下，可

12、重复开关电流的最大值。CLMgeoncIIVUHLCT).(.;51211520125 允许短路电流允许短路电流 ISC52004006001k80010152025VUge/05AISC/stSC/SCI10201525SCtVUCTCEc700125CSCII)(546IGBT短路状态的失效机理短路状态的失效机理 失效原因：失效原因：ttDA/50OOsci0scigeuttOOFIRGP40sci0scigeuFIRGP40Ds/2Ds/2DV /5 短路保护短路保护 延时搜索延时搜索超过热极限：超过热极限：半导体本征温度极限半导体本征温度极限250Co, 短路电流过大使管芯过热。短路电

13、流过大使管芯过热。 关断过电压：关断过电压：分布和封装引线电感与短路大电流关断变化。分布和封装引线电感与短路大电流关断变化。电流擎住效应电流擎住效应3-5 IGBT典型厚膜集成驱动电路典型厚膜集成驱动电路1驱动电路的设计原则驱动电路的设计原则 安全安全+低耗低耗+快速快速 隔离：隔离：光电耦合、光纤、脉冲变压器；光电耦合、光纤、脉冲变压器； 电平适当：电平适当：+12 16V / -5 10V+UGEtONpONUCESPONtSCISC 边沿陡直：边沿陡直：tUP、tDn 1stON/OFFpON/OFFdi/dtdu/dt电压尖峰动态擎住 驱动回路短、回路阻抗小、驱动功率足驱动回路短、回路

14、阻抗小、驱动功率足2EXB840/841高速型厚膜驱动电路高速型厚膜驱动电路（富士） EXB840：150A/600V、 75A/1200V；40kHz、延迟、延迟1s、25mA EXB841：400A/600V、300A/1200V；40kHz、延迟、延迟1s、47mA1392AMP1514过流保护456EXB840/8415V20V10mA3333m1过流过流保护保护输出输出8VC 非滤波，吸收电源线阻抗变化引起的电压波动桥臂直通、ic(近似uce)过大、T过高Uce允许短路时间530s延时搜索/缓降栅压“0”强迫-5V封锁3M57962AL厚膜驱动电路厚膜驱动电路（三菱）短路检测时间：短路检测时间：P2-P4间电容10008000p 对应36S658M57962AL门极封锁单元定时复位