开关电源元器件介绍,开关电源中的主要元器件

元器件是构成开关电源的基础，深入了解关键元器件的性能，对于使用维护乃至设计开  关电源尤为重要。本节将对应用广泛的新型元器件作介绍。
一、 功率开关
晶闸管(SCR)于1956年问世，接着以它为核心的派生器件投入市场，而这些派生器件比SCR具有更高的额定电压和电流，以及更好的开关特性。但是它们均属半控型器件，   所以辅助电路多、效率低、工作频率低。 进入20世纪80年代，由于电力电子技术和微电子技术的应用相结合，而向市场推出了高频化全控功率集成器件。如功率MOS管、绝缘门极晶体管IGBT(或IGT)、静电感应晶体管(SIT)、场控晶闸管(MCT)等。由于这些器件不需另设辅助开关去强迫关断，故称为全控型电子器件。它们具有较高的效率和较高的工作频率，从而使开关电源整机体积变小而重量变轻，达到提高功率密度的目的。 在新一代全控型电力电子器件中，功率MOS管和静电感应晶体管(SIT)属单极型器件，它们只有一种载流子。而IGBT(或IGT)、MCT及功率集成电路(PIC)或智能功率模块(1PM)、智能开关等，为混合型器件。它们是双极型晶体管与MOS管混合，或是晶闸管与MOS器件混合。上述器件除有自关断性能外，还有如下特点：
(1)在结构上由无数单元小管并联集成；
(2)均为高频器件，工作频率从几千赫兹至几兆赫兹。有的频率已达10MHz以上；
(3)应用性能更完善，除了有开关功能之外，有些器件还有放大、PWM调制、逻辑运算等功能。目前，高频开关电源采用的功率器件通常有：功率MOSFET、IGBT、功率MOSFET与 IGBT混合管及功率集成器件。    
1、功率MOSFET 
场效应管分为结型场效应管和绝缘栅型场效应管，功率场效应晶体管都是绝缘栅型场效应管。绝缘栅型场效应管是由金属氧化物、半导体组成的场效应晶体管，简称MOSFET   (metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)，这是一种电压控制的单极型器件。功率MOSFET(VMOSFET，有时也简称VMOS)作为开关器件，其常态都是阻断状态，也就是说都是增强型的MOSFET。VMOSFET分为N沟道和P沟道两种，其中，N沟道VMOSFET的导通电流从漏极D流向源极S，而P沟道VMOSFET的导通电流从源极S流向漏极D，它们的电气图形符号如图3-2-1所示。

图3-2-1中，反并联的二极管表示MOSFET结构中的寄生二极管或集成的可续流的二极管。
从MOSFET的结构和工作原理可以知道，MOSFET存在固有的寄生反并联二极管。所以，有时为了保护MOSFET，在较高容量VMOSFET中，又集成了电流容量更大、耐压更高、恢复更快的反并联二极管。  
  VMOSFET分为V型结构(VVMOSFET)和D型结构(VDMOSFET)。VVMOSFET栅电容小、开关速度快、沟道电阻小，但耐压不高，适用于低耐压、大电流应用。VDMOSFET采用两次扩展，精确控制沟道长度，除具有VVMOSFET的优点外，耐压也高，适合于高耐压应用。 功率MOSFET的特点    ，
(1)它具有很大的输入电阻，故作功率开关管应用时，驱动电流很小，功率增益高，是一种电压控制器件。又由于开启电压高，进行关断时无需加闭锁电压。 
(2)功率MOSFET导通电阻温度系数为正值，若多个功率MOS管并联时，则不需另设均流电阻。例如，并联组合管中某单元管芯电流增加时，其工作温度随之升高而使电阻增大，进而限制了电流的增长，所以具有自动均流的能力。    
(3)在高温运行时，不存在温度失控的现象。因为温度变化时，对功率MOS管极间电 容影响极小。其允许工作温度高达200˚C。    
(4)普通功率晶体管在高压、大电流条件下进行切换时，易发生二次击穿。所谓二次击 穿是指器件在一次击穿后电流进一步增加，并以高速向低阻区域移动。而功率MOS管无二 次击穿问题。    
(5)在大电流工作过程中，因温度升高而使导通电阻增大许多倍，故导通功耗很大。    
(6)在进行引线焊接时，操作者应佩带接地的专用腕带，且工作台与焊接工具均应接地。

2、绝缘门极晶体管IGBT
绝缘栅双极晶体管(1nsulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)是MOSFET与GTR的复合器件，因此，它既具有MOSFET的工作速度快、输入阻抗高、驱动电路简单、热温度性 好的优点，又包含了GTR的载流量大、阻断电压高等多项优点，是取代GTR的理想开关器件。从1986年至今，尤其是近几年来IGBT发展很快，己被广泛地应用于各种逆变器中。现在已经被推广应用的第三代IGBT通态压降更低、开关速度更快。IGBT的等效电路和图形符号如图3-2-2所示。   IGBT基本上是在VMOSFET的漏极下又加了一层P+区，因而多了一个PN结，从而使其等效电路变成了图3-2-2(a)的形式，这很自然地成了一个MOSFET与 一个GTR单管的复合管，结果就是一个控制极为绝缘栅极的双极型晶体管，如图3-2-2(b)所 示。根据双极型晶体管和MOSFET的工作原理，不难理解IGBT的工作过程，这里不再详细叙述。 
图3-2-2 IGBT的等效电路和图形符号

 IGBT管的综合特点如下：   
(1)IGBT管为混合器件，驱动功率容量小，也是一种压控型器件。   
(2)导通压降小，允许电流密度大。   
(3)当关断时会出现电流拖尾现象，所以关断时间长，使工作频率受到限制。

二、高频整流管
在工频（50周）整流电路中，对二极管的开关速度没有要求。而在高频变化中就必须采用恢复时间短的二极管。根据制造工艺和恢复特性，高频整流电路分为：快恢复二极管、 超快恢复二极管和肖特基二极管。
  1、 二极管的性能参数 
   (1)最高允许结温TjM    结温是指整个PN结的平均温度。最高允许结温是指PN结不损坏能承受的最高平均温度，结温通常允许在-40~+125℃范围内。当一般工业用大功率二极管工作结温达-40℃以下时，硅芯片可能受到损坏。   (2)额定正向平均电流／F   额定正向平均电流是指在指定壳温、规定散热条件下二极管流过工频正弦半波的平均电 流。此电流下正向压降引起的损耗使得结温升高，此温度不得超过允许结温。   由二极管定额方法可以看出，正向电流是按发热条件定额的，因此在选用二极管时，应 按有效值相同条件选取二极管定额，有效值定额为对应额定正向平均电流的1．57倍。     (3)浪涌电流     浪涌电流是指连续几个工频周波的过电流，一般是用额定正向平均电流的倍数和相应的浪涌时间(工频周波数)来规定浪涌电流。    (4)反向重复峰值电压URR    反向重复峰值电压是二极管工作时所能施加的反向最高峰值电压，通常是反向雪崩击穿电压UB的2／3。在使用时，通常按电路中二极管可能承受的最高峰值电压的两倍选取二极管定额。    (5)反向恢复时间trr    反向恢复时间是从正向电流过零到反向电流下降到其峰值10％时的时间间隔。它与反向电流上升率有关，但在实际电路中还与结温和关断前最大正向电流有关。
2、快恢复二极管(FRD)  
迅速由导通状态过渡到关断状态的PN结整流管称为快恢复二极管(FRD，Fast Recovery  Diode)，其特点是反向恢复时间短，一般小于5μs，也称为开关二极管。用于高频整流，斩波和逆变。电流由1安到数百安，电压由数十伏到数千伏。   目前有PN型和PIN型两种结构的快速恢复整流二极管。在同等容量下PIN型结构具有开通压降低，反向快速、恢复性能好的优点。一般地，二极管的耐压越高，电流越大，恢复时间就越长，导通压降就越高。快恢复二极管用于开关频率不太高(20～50kHz)的整流模块的输出整流。 常用的小电流快恢复二极管：FRl01一FRl07(1A，50～1000V)、FR301一FR307(3A，50～1000V)等，可用于辅助开关电源的输出整流。  国产ZK快恢复二极管系列是否是参数范围有50～1000A，100—2000V。

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