IGBT驱动板，如果自己设计开关电源需要用变压器，请问那个厂家有这种变压器买的?

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开关电源原理及其应用

维修技术培训资料

第一部分:功率电子器件

第一节:功率电子器件及其应用要求
功率电子器件大量被应用于电源、伺服驱动、变频器、电机保护器等功率电子设备。这些设备都是自动化系统中必不可少的，因此，我们了解它们是必要的。
近年来，随着应用日益高速发展的需求，推动了功率电子器件的制造工艺的研究和发展，功率电子器件有了飞跃性的进步。器件的类型朝多元化发展，性能也越来越改善。大致来讲，功率器件的发展，体现在如下方面:
1. 器件能够快速恢复，以满足越来越高的速度需要。以开关电源为例，采用双极型晶体管时，速度可以到几十千赫;使用MOSFET和IGBT，可以到几百千赫;而采用了谐振技术的开关电源，则可以达到兆赫以上。
2. 通态压降(正向压降)降低。这可以减少器件损耗，有利于提高速度，减小器件体积。
3. 电流控制能力增大。电流能力的增大和速度的提高是一对矛盾，目前最大电流控制能力，特别是在电力设备方面，还没有器件能完全替代可控硅。
4. 额定电压:耐压高。耐压和电流都是体现驱动能力的重要参数，特别对电力系统，这显得非常重要。
5. 温度与功耗。这是一个综合性的参数，它制约了电流能力、开关速度等能力的提高。目前有两个方向解决这个问题，一是继续提高功率器件的品质，二是改进控制技术来降低器件功耗，比如谐振式开关电源。
总体来讲，从耐压、电流能力看，可控硅目前仍然是最高的，在某些特定场合，仍然要使用大电流、高耐压的可控硅。但一般的工业自动化场合，功率电子器件已越来越多地使用MOSFET和IGBT，特别是IGBT获得了更多的使用，开始全面取代可控硅来做为新型的功率控制器件。

第二节:功率电子器件概览
一. 整流二极管:
二极管是功率电子系统中不可或缺的器件，用于整流、续流等。目前比较多地使用如下三种选择:
1. 高效快速恢复二极管。压降0.8-1.2V，适合小功率，12V左右电源。
2. 高效超快速二极管。0.8-1.2V，适合小功率，12V左右电源。
3. 肖特基势垒整流二极管SBD。0.4V，适合5V等低压电源。缺点是其电阻和耐压的平方成正比，所以耐压低(200V以下)，反向漏电流较大，易热击穿。但速度比较快，通态压降低。
目前SBD的研究前沿，已经超过1万伏。
二.大功率晶体管GTR
分为:
单管形式。电流系数:10-30。
双管形式--达林顿管。电流倍数:100-1000。饱和压降大，速度慢。下图虚线部分即是达林顿管。

图1-1:达林顿管应用
实际比较常用的是达林顿模块，它把GTR、续流二极管、辅助电路做到一个模块内。在较早期的功率电子设备中，比较多地使用了这种器件。图1-2是这种器件的内部典型结构。

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图1-2:达林顿模块电路典型结构
两个二极管左侧是加速二极管，右侧为续流二极管。加速二极管的原理是引进了电流串联正反馈，达到加速的目的。
这种器件的制造水平是1800V/800A/2KHz、600V/3A/100KHz左右(参考)。
三. 可控硅SCR
可控硅在大电流、高耐压场合还是必须的，但在常规工业控制的低压、中小电流控制中，已逐步被新型器件取代。
目前的研制水平在12KV/8000A左右(参考)。
由于可控硅换流电路复杂，逐步开发了门极关断晶闸管GTO。制造水平达到8KV/8KA，频率为1KHz左右。
无论是SCR还是GTO，控制电路都过于复杂，特别是需要庞大的吸收电路。而且，速度低，因此限制了它的应用范围拓宽。
集成门极换流晶闸管IGCT和MOS关断晶闸管之类的器件在控制门极前使用了MOS栅，从而达到硬关断能力。
四. 功率MOSFET
又叫功率场效应管或者功率场控晶体管。
其特点是驱动功率小，速度高，安全工作区宽。但高压时，导通电阻与电压的平方成正比，因而提高耐压和降低高压阻抗困难。
适合低压100V以下，是比较理想的器件。
目前的研制水平在1000V/65A左右(参考)。商业化的产品达到60V/200A/2MHz、500V/50A/100KHz。是目前速度最快的功率器件。
五. IGBT
又叫绝缘栅双极型晶体管。
这种器件的特点是集MOSFET与GTR的优点于一身。输入阻抗高，速度快，热稳定性好。通态电压低，耐压高，电流大。
目前这种器件的两个方向:一是朝大功率，二是朝高速度发展。大功率IGBT模块达到1200-1800A/1800-3300V的水平(参考)。速度在中等电压区域(370-600V)，可达到150-180KHz。
它的电流密度比MOSFET大，芯片面积只有MOSFET的40%。但速度比MOSFET低。

尽管电力电子器件发展过程远比我们现在描述的复杂，但是MOSFET和IGBT，特别是IGBT已经成为现代功率电子器件的主流。因此，我们下面的重点也是这两种器件。

第三节:功率场效应管MOSFET
功率场效应管又叫功率场控晶体管。
一.原理:
半导体结构分析略。本讲义附加了相关资料，供感兴趣的同事可以查阅。
实际上，功率场效应管也分结型、绝缘栅型。但通常指后者中的MOS管，即MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)。
它又分为N沟道、P沟道两种。器件符号如下:

N沟道 P沟道
图1-3:MOSFET的图形符号
MOS器件的电极分别为栅极G、漏极D、源极S。
和普通MOS管一样，它也有:
耗尽型:栅极电压为零时，即存在导电沟道。无论VGS正负都起控制作用。
增强型:需要正偏置栅极电压，才生成导电沟道。达到饱和前，VGS正偏越大，IDS越大。
一般使用的功率MOSFET多数是N沟道增强型。而且不同于一般小功率MOS管的横向导电结构，使用了垂直导电结构，从而提高了耐压、电流能力，因此又叫VMOSFET。
二.特点:
这种器件的特点是输入绝缘电阻大(1万兆欧以上)，栅极电流基本为零。
驱动功率小，速度高，安全工作区宽。但高压时，导通电阻与电压的平方成正比，因而提高耐压和降低高压阻抗困难。
适合低压100V以下，是比较理想的器件。
目前的研制水平在1000V/65A左右(参考)。
其速度可以达到几百KHz，使用谐振技术可以达到兆级。
三.参数与器件特性:
无载流子注入，速度取决于器件的电容充放电时间，与工作温度关系不大，故热稳定性好。
(1) 转移特性:
ID随UGS变化的曲线，成为转移特性。从下图可以看到，随着UGS的上升，跨导将越来越高。

图1-4:MOSFET的转移特性
(2) 输出特性(漏极特性):
输出特性反应了漏极电流随VDS变化的规律。
这个特性和VGS又有关联。下图反映了这种规律。
图中，爬坡段是非饱和区，水平段为饱和区，靠近横轴附近为截止区，这点和GTR有区别。

图1-5:MOSFET的输出特性
VGS=0时的饱和电流称为饱和漏电流IDSS。
(3)通态电阻Ron:
通态电阻是器件的一个重要参数，决定了电路输出电压幅度和损耗。
该参数随温度上升线性增加。而且VGS增加，通态电阻减小。
(4)跨导:
MOSFET的增益特性称为跨导。定义为:
Gfs=ΔID/ΔVGS
显然，这个数值越大越好，它反映了管子的栅极控制能力。
(5)栅极阈值电压
栅极阈值电压VGS是指开始有规定的漏极电流(1mA)时的最低栅极电压。它具有负温度系数，结温每增加45度，阈值电压下降10%。
(6)电容
MOSFET的一个明显特点是三个极间存在比较明显的寄生电容，这些电容对开关速度有一定影响。偏置电压高时，电容效应也加大，因此对高压电子系统会有一定影响。
有些资料给出栅极电荷特性图，可以用于估算电容的影响。以栅源极为例，其特性如下:
可以看到:器件开通延迟时间内，电荷积聚较慢。随着电压增加，电荷快速上升，对应着管子开通时间。最后，当电压增加到一定程度后，电荷增加再次变慢，此时管子已经导通。

图1-6:栅极电荷特性
(8)正向偏置安全工作区及主要参数
MOSFET和双极型晶体管一样，也有它的安全工作区。不同的是，它的安全工作区是由四根线围成的。
最大漏极电流IDM:这个参数反应了器件的电流驱动能力。
最大漏源极电压VDSM:它由器件的反向击穿电压决定。
最大漏极功耗PDM:它由管子允许的温升决定。
漏源通态电阻Ron:这是MOSFET必须考虑的一个参数，通态电阻过高，会影响输出效率，增加损耗。所以，要根据使用要求加以限制。

图1-7:正向偏置安全工作区

第四节:绝缘栅双极晶体管IGBT
又叫绝缘栅双极型晶体管。
一.原理:
半导体结构分析略。本讲义附加了相关资料，供感兴趣的同事可以查阅。
该器件符号如下:

N沟道 P沟道
图1-8:IGBT的图形符号
注意，它的三个电极分别为门极G、集电极C、发射极E。

图1-9:IGBT的等效电路图。
上面给出了该器件的等效电路图。实际上，它相当于把MOS管和达林顿晶体管做到了一起。因而同时具备了MOS管、GTR的优点。
二.特点:
这种器件的特点是集MOSFET与GTR的优点于一身。输入阻抗高，速度快，热稳定性好。通态电压低，耐压高，电流大。
它的电流密度比MOSFET大，芯片面积只有MOSFET的40%。但速度比MOSFET略低。
大功率IGBT模块达到1200-1800A/1800-3300V的水平(参考)。速度在中等电压区域(370-600V)，可达到150-180KHz。
三.参数与特性:
(1)转移特性

图1-10:IGBT的转移特性
这个特性和MOSFET极其类似，反映了管子的控制能力。
(2)输出特性

图1-11:IGBT的输出特性
它的三个区分别为:
靠近横轴:正向阻断区，管子处于截止状态。
爬坡区:饱和区，随着负载电流Ic变化，UCE基本不变，即所谓饱和状态。
水平段:有源区。
(3)通态电压Von:

图1-12:IGBT通态电压和MOSFET比较
所谓通态电压，是指IGBT进入导通状态的管压降VDS，这个电压随VGS上升而下降。
由上图可以看到，IGBT通态电压在电流比较大时，Von要小于MOSFET。
MOSFET的Von为正温度系数，IGBT小电流为负温度系数，大电流范围内为正温度系数。
(4)开关损耗:
常温下，IGBT和MOSFET的关断损耗差不多。MOSFET开关损耗与温度关系不大，但IGBT每增加100度，损耗增加2倍。
开通损耗IGBT平均比MOSFET略小，而且二者都对温度比较敏感，且呈正温度系数。
两种器件的开关损耗和电流相关，电流越大，损耗越高。
(5)安全工作区与主要参数ICM、UCEM、PCM:
IGBT的安全工作区是由电流ICM、电压UCEM、功耗PCM包围的区域。

图1-13:IGBT的功耗特性
最大集射极间电压UCEM:取决于反向击穿电压的大小。
最大集电极功耗PCM:取决于允许结温。
最大集电极电流ICM:则受元件擎住效应限制。
所谓擎住效应问题:由于IGBT存在一个寄生的晶体管，当IC大到一定程度，寄生晶体管导通，栅极失去控制作用。此时，漏电流增大，造成功耗急剧增加，器件损坏。
安全工作区随着开关速度增加将减小。
(6)栅极偏置电压与电阻
IGBT特性主要受栅极偏置控制，而且受浪涌电压影响。其di/dt明显和栅极偏置电压、电阻Rg相关，电压越高，di/dt越大，电阻越大，di/dt越小。
而且，栅极电压和短路损坏时间关系也很大，栅极偏置电压越高，短路损坏时间越短。

第二部分:开关电源基础

第一节:开关电源的基本控制原理

一.开关电源的控制结构:
一般地，开关电源大致由输入电路、变换器、控制电路、输出电路四个主体组成。
如果细致划分，它包括:输入滤波、输入整流、开关电路、采样、基准电源、比较放大、震荡器、V/F转换、基极驱动、输出整流、输出滤波电路等。
实际的开关电源还要有保护电路、功率因素校正电路、同步整流驱动电路及其它一些辅助电路等。
下面是一个典型的开关电源原理框图，掌握它对我们理解开关电源有重要意义。

图2-1:开关电源的基本结构框图
根据控制类型不同，PM(脉冲调制)电路可能有多种形式。这里是典型的PFM结构。
二.开关电源的构成原理:
(一)输入电路:
线性滤波电路、浪涌电流抑制电路、整流电路。
作用:把输入电网交流电源转化为符合要求的开关电源直流输入电源。
1.线性滤波电路:
抑制谐波和噪声。
2.浪涌滤波电路:
抑制来自电网的浪涌电流。
3.整流电路:
把交流变为直流。
有电容输入型、扼流圈输入型两种，开关电源多数为前者。
(二).变换电路:
含开关电路、输出隔离(变压器)电路等，是开关电源电源变换的主通道，完成对带有功率的电源波形进行斩波调制和输出。
这一级的开关功率管是其核心器件。
1.开关电路
驱动方式:自激式、他激式。
变换电路:隔离型、非隔离型、谐振型。
功率器件:最常用的有GTR、MOSFET、IGBT。
调制方式:PWM、PFM、混合型三种。PWM最常用。
2.变压器输出
分无抽头、带抽头。半波整流、倍流整流时，无须抽头，全波时必须有抽头。
(三).控制电路:
向驱动电路提供调制后的矩形脉冲，达到调节输出电压的目的。
基准电路:提供电压基准。如并联型基准LM358、AD589，串联型基准AD581、REF192等。
采样电路:采取输出电压的全部或部分。
比较放大:把采样信号和基准信号比较，产生误差信号，用于控制电源PM电路。
V/F变换:把误差电压信号转换为频率信号。
振荡器:产生高频振荡波。
基极驱动电路:把调制后的振荡信号转换成合适的控制信号，驱动开关管的基极。
(四).输出电路:
整流、滤波。
把输出电压整流成脉动直流，并平滑成低纹波直流电压。输出整流技术现在又有半波、全波、恒功率、倍流、同步等整流方式。
第二节:各类拓补结构电源分析
一.非隔离型开关变换器
(一).降压变换器
Buck电路:降压斩波器，入出极性相同。
由于稳态时，电感充放电伏秒积相等，因此:
(Ui-Uo)*ton=Uo*toff，
Ui*ton-Uo*ton=Uo*toff,
Ui*ton=Uo(ton+toff),
Uo/Ui=ton/(ton+toff)= Δ
即，输入输出电压关系为:
Uo/Ui=Δ(占空比)

图2-2:Buck电路拓补结构
在开关管S通时，输入电源通过L平波和C滤波后向负载端提供电流;当S关断后，L通过二极管续流，保持负载电流连续。输出电压因为占空比作用，不会超过输入电源电压。
(二).升压变换器
Boost电路:升压斩波器，入出极性相同。
利用同样的方法，根据稳态时电感L的充放电伏秒积相等的原理，可以推导出电压关系:
Uo/Ui=1/(1-Δ)

图2-3:Boost电路拓补结构
这个电路的开关管和负载构成并联。在S通时，电流通过L平波，
电源对L充电。当S断时，L向负载及电源放电，输出电压将是输入电压Ui+UL，因而有升压作用。
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