12V6A开关电源设计

2013年度本科生毕业论文（设计）

题目：12V/6A开关电源设计

院－系：工学院

专业：电气工程及其自动化

年级：

学生姓名：

学号：

导师及职称：

2013年5月

2013Annual Graduation Thesis (Project) of the College Undergraduate

Title：12V/6A a Switching power supply design Department:engineering college

Major:electrical engineering and automation Grade:2009

Student’s Name:

Student No.:

Tutor:

may, 2013

摘要

随着现代电力电子技术的发展，开关电源朝着小型化、智能化、大功率的方向发展。小型化要求开关电源体积小、重量轻，其主要依靠提高元器件的工作频率，特别是变压器的体积和重量决定了开关电源的体积和重量的大小，故高频变压器的研究设计是设计开关电源的一个重要环节。另外开关电源工作频率的提高，又会导致开关管开关损耗的问题，能量损耗将以热的形式表现出来，则开关电源的散热问题是设计过程中必须考虑的问题。为了解决这一系列的问题，目前国内外大多采用软开关技术，采用该技术能够大大地减小了开关损耗和体积、重量，从而提高了开关电源的效率。

针对开关电源的发展趋势，本文将竭尽所能做一个可靠性高、小型化、稳定性好、高效率的开关电源，主要从是以下这些方面进行论述、设计：首先，主要概述了开关电源的研究背景及意义；开关电源的相关概述和性能要求。其次通过对开关电源的整体方案的分析与选择得出了最后的方案。然后对变换器的结构和原理分析来做开关电源的主电路的设计，最后介绍辅助电源电路及其它电路的设计，包括输入、输出滤波电路，整流电路的选取及其设计，控制电路以及保护等。对开关电源设计的基本工作做完后，使用MATLAB对其部分器件进行仿真。

关键词：开关电源、PWM、UC3842、仿真

Abstract

With the development of modern power electronic technology. Switching power supply development in the direction of the miniaturization. Intelligent.high power.small volume. Light weight miniaturization requirement. Rely mainly on improving the work frequency of the components. In particular. The volume and weight of the size of the switch power supply. Therefore research of high-frequency transformer design is an important link in design of switch power supply. At the same time switch power working frequency increased. And brings the problem of switching tube switch loss. Energy loss will be displayed in the form of heat. The heat dissipation problem of switch power supply is a problem must be considered in the design process. Seeking to solve the problem must of large work high frequency switching loss. Soft switch technology commonly used at home and abroad. Using this technology really greatly reduce switch loss and volume,weight,improve the efficiency of switching power supply.

In view of the development trend of switch power supply. This thesis mainly discusses from these aspects,the design: first of all, the main outlines the research background and significance of switching power supply: switching power supply related overview and performance requirements.For switching power supply design of the basic work https://www.360docs.net/doc/d513552115.html,ing MATLAB simulation on some of its components. Keywords: switching power supply. Pwm UC3842. Simulink .

目录

第一章绪论 (1)

1.1开关电源的发展史 (1)

1.2开题研究背景及意义 (2)

1.3开关电源的概述和性能要求 (3)

1.3.1 开关电源的优点 (3)

1.3.2开关电源的工作方式 (4)

1.4开关电源的性能要求 (4)

1.5 本论文的任务、设计目标 (5)

1.6本论文的主要工作 (6)

第二章开关电源的整体方案分析与选择 (7)

2.1 单端自激式开关稳压电源电路具有以下特点： (8)

2.2单端他激式开关稳压电源电路具有以下特点： (8)

2.3主电路的功率模块 (8)

2.4控制电路的选择 (9)

2.5开关电源各主要组成部分的最终选择方案 (10)

第三章绝缘栅双极晶体管 (11)

3.1 IGBT管的工作原理及特性 (11)

3.2 变换器的主要参数的选择： (13)

3.3电路的特点及设计考虑 (14)

3.4变换器损耗分析 (16)

第四章电源主电路的设计 (18)

4、1电源的设计要求 (18)

4、2开关电源的基本工作原理 (18)

4.2.1 开关电源的组成部分 (18)

4.2.2 开关电源的工作过程 (18)

4.2.3 脉宽调制器的基本原理 (19)

4.3 开关电源各主要组成部分 (19)

4.3 EMI滤波器的设计 (20)

4.3.1 EMI滤波器电感、电容的选取 (21)

4.4 输入整流滤波电路设计 (23)

4.5 输出整流电路的设计 (24)

4.6 输出滤波电路的设计 (25)

4.7 开关电源变压器的选择和设计 (26)

第五章控制电路及保护电路的设计 (29)

5.1 控制回路单元的设计 (29)

5.1.1 UC3842介绍 (29)

5.2 保护电路的设计 (31)

5.2.1对保护电路的要求 (31)

5.2.2短路保护电路 (31)

5.2.4输入过欠压保护 (34)

第六章 (36)

1.1 MA TLAB的简介 (36)

1.2 直流斩波仿真实验 (37)

图5-2 直流斩波电路的仿真结果 (39)

1.3 变压器仿真实验 (39)

1.3.1 变压器短路试验 (39)

1.3.2 变压器开路试验 (41)

总结 (44)

致谢 (45)

参考文献 (46)

附录 (47)

第一章绪论

工频整流是早期电源采用的主要技术并且得到广泛的应用，采用工频整流技术设计的电源称为线性电源。工作频率采用50Hz，频率很低。主功率变换电路中有大量的耗能开关元器件，能量损耗高和效率低，并且电路中电感、电容等元器件体积庞大、笨重，不利于集成化。但线性电源具有输出纹波小的优点，这是国内外早期发展起来的线性电源的特点。但是由于线性电源具有很多的不足之处：对产品便捷化有一定的影响，工作时损耗的能量会使电子设备严重发热，给电网电压造成波动，为了解决这些问题，国内外研究者们经过多年的研究和探讨，开关电源便应用而生。开关电源工作在高频下，元器件的体积、重量相比以前减小了很多。采用变压器进行能量的传输，能量能够得到完全充分的利用，满足新时代提出的“绿色”能源要求，与创建和谐社会与时俱进。同时制造工艺、控制方案等技术的改进和提高为开关电源的进一步发展夯实了基础。

现代开关电源的发展依赖于半导体制造工艺，现在国内半导体工艺远远落后于国外，特别是在高频开关电源上非常明显。国内的开关电源市场主要是一些小功率的开关电源，大功率开关电源主要是依靠进口，但这些国外大功率开关电源价格昂贵，并且垄断着国内市场。为了解决对国外的这种依赖，有必要对开关电源的研究引起足够的重视，加大投入人力、物力对大功率开关电源进行深入研究，为国内的开关电源开辟一条崭新的道路。

当半导体制造工艺发展到一定时，需要针对控制技术做相应的提高、改进、创新，开关管的开关损耗与工作频率成正比，此时能量损耗主要取决于控制技术。传统的开关电源都是采用硬开关技术，面临着能量损耗的问题，针对这个问题采用硬开关技术的开关电源，具有效率低、稳定性差、可靠性不足等缺点，将原来针对于晶体管提出的软开关技术引入到全桥变换中。这些年国内外针对软开关技术在全桥变换中的应用做了深入研究，提出了多种多样的解决办法，取得了不错的成绩，并且将 DSP技术引入到开关电源的控制中，这样就实现开关电源的智能化控制。

1.1开关电源的发展史

上个世纪60年代，开关电源的问世，使其渐渐取代了线性稳压电源盒SCR 相控电源。40多年来，开关电源技术有了飞速的发展和变化，经历了功率半导

1

第一章绪论

体器件、高频化盒软开关技术、开关电源系统的集成技术三个发展阶段。

第一个阶段是功率半导体从双级型器件（BPT、SCR、GTO）发展为MOS型器件（功率MOS-FET、IGBT、IGCT等），使电力电子系统有可能实现高频化，并大幅度降低导通损耗，电路也更简单。

第二个阶段自20世纪80年代开始，高频化和软开关技术的研究开发，使功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。

第三个阶段从20世纪90年代中期开始，集成电力电子系统和集成电力电子模块（IPEM）技术开始发展。它是当今国际电力电子界待解决的新问题之一。

开关电源是近年来应用极其广泛的一种新式电源，它具有体积小、重量轻、耗能低、使用方便等很多优点，它在邮电通信、仪器仪表、医疗器械、家用电器等多种领域应用效果显著。目前随着新兴技术的不断发展，新型多功能开关电源集成控制芯片不断推向市场，市场的多样化，大量的超小型、多功能、模块化开关电源不断出现。开关电源市场与我国各个行业的发展有着不可分割的关系，而重点行业在我国经济功能的调控下，向着平稳较快的的方向发展。因此，开关电源市场近年来也随之增长。在开关电源的市场中，除了少数厂商拥有核心技术外，其他生产厂家大多没有掌握核心技术，只能依靠其他厂家，经营区域性市场，这样就抑制了开关电源产品性能的发展和更新。开关电源产品由于本身具有的特殊型，用户对产品的安全性、稳定性要求很高，而对于价格的敏感性却比较低，因此厂商对价格具有有一定的议价能力。中国开关电源主力厂商大部分拥有较为完备的产品线，集成能力强，各具行业优势。

1.2开题研究背景及意义

随着电力电子技术的飞速发展，电力电子设备与人们的日常生活日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已经广泛应用开关电源，也为开关电源技术的发展提供了充足的条件。

开关电源和线性电源相比，他们的成本都随着输出功率的增加而增加，但二者增长速率存在着各自的优缺点。线性电源成本在某一输出功率点上，反而大于开关电源。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地

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改进、提高，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这使开关电源有了更为广泛的发展空间。

开关电源高频化是其为此发展的方向，高频化开关电源的小型化，并使开关电源可以应用到更多的领域，特别是在高新技术领域的应用，使高新技术产品的小型化、轻便化等优点更为突出。同时开关电源的发展和应用在安防监控、节约能源、节约资源及保护环境方面都具有非凡的意义。

开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军事设备、高新设备、LED照明、工控设备、通讯设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器，冰箱，液晶显示器，LED流水灯，通讯设备，安防监控，LED灯袋，电脑机箱，数码产品和仪器类等领域。

1.3开关电源的概述和性能要求

开关电源又称为开关稳压电源，问世后在很多领域逐步代替了线性稳压电源和晶闸管相控电源。随着能源问题的日益严重和人们对其的重视，电子产品的耗能问题也越发严峻，如何降低它的待机功耗，提高供电效率成为一个急需解决的问题。传统的线性稳压电源虽然电力结构简单、工作可靠，但它存在着效率低(只有40%～50%)、体积大、铜铁消耗量大，工作温度高及调整范围小等缺点。为了提高效率，人们发明出了开关式稳压电源，它的效率可达85%以上，稳压范围宽。除此之外，还具有稳压精度高的特点，是一种较理想的稳压电源。开关电源具有效率高、体积小、重量轻、应用广泛等优点，现已成为稳压电源的主流产品。正是如此，开关电源享有高效、节能型电源的称号，并已广泛应用于各种电子设备中。

1.3.1 开关电源的优点

(1) 功耗小，效率高。晶体管在激励信号的激励下，它交替地工作在导通—关断和关断—导通的开关状态，转换速度非常快，频率一般为50kHz左右，在一些拥有先技术的国家，可以达到几百或者近1000kHz。这使得开关晶体管的功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高，其效率可达到80%。

(2) 体积小，重量轻。采用高频技术后，改善了工频变压器体积笨重这个缺点。在调整管上的耗散功率大幅度降低后，省去了较大的散热片。由于这两方面原因，所以开关稳压电源的体积小，重量轻。

(3) 稳压范围宽。开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节

3

第一章绪论

的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿。这样，在工频电网电压变化有较大波动时，它仍能够保证有较稳定的输出电压。所以开关电源的稳压范围很宽，稳压效果很好。此外，改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。开关稳压电源不仅具有稳压范围宽的优点，而且实现稳压的方法也较多，设计人员可以根据实际应用的要求，灵活地选用各种类型的开关稳压电源。

(4) 滤波效率的提高，可以使滤波电容的容量和体积大幅度的减少。开关稳压电源的工作频率现目前基本上是工作在50kHz，是线性稳压电源的1000倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍。在相同的纹波输出电压下，采用开关稳压电源时，滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容的1/500～1/1000。电路形式多种多样，例如自激式、他激式；调宽型、调频型；单端式、双端式等等，我们可以根据需要并结合设计选择合适的类型电路，把他们的有点发挥到极致。

1.3.2开关电源的工作方式

开关电源主要有一下四种工作方式：

(1) 脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，简称PWM，即脉宽调制)式：其特点是开关周期为恒定值，通过调节脉冲宽度来改变占空比，实现稳压的目的。其核心是脉宽调制器。

(2) 脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation，简称PFM，即脉频调制)式：其特点是脉冲宽度为恒定值，通过调节开关频率来改变占空比，实现稳压的目的。其核心是脉频调制器。

(3) 脉冲密度调制(Pulse Density Modulation，简称PDM，即脉密调制)式：其特点是脉冲宽度为恒定值，通过调节脉冲数实现稳压目的。它采用零电压技术，能显著降低功率电压管的损耗。

(4) 混合调制式：它是(1)、(2)两种方式的组合。开关周期和脉冲宽度都不固定，均可调节。它包含了脉宽调制器和脉频调制器。

以上4种统“称时间比率控制”方式，其中以脉宽调制器应用最广。

1.4开关电源的性能要求

(1)、可靠性高

电源是具有危害性的，所以必须具有高度的可靠性，如果电源不可靠了，4

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那么整个基于开关电源的系统就不可能有高的可靠性，在现实生活中将不会被人们广泛使用，特别在一些要求连续不断工作的场合时不能采用的。

(2)、稳定性好

稳定性好要求输出不随输入的变化而发生剧烈的波动，比如雷击、电网波动等。在实际工作中，不同种类干扰信号有很多种，经常会从输入端或者由中端进入，使得输入信号参杂很多的杂波信号，这就要求系统能够自动的进行处理，包括各种保护电路、反馈电路、滤波电路等，保证系统的输出能够稳定连续的输出，在波动范围内。

(3)、小型化

电子产品向着便捷式发展，开关电源不断提高工作频率，减小变压器、电感、电容等开关元器件的体积，符合现在新电子厂品的要求并向着小型化发展。

(4)、高效率

为了能与国家提出的发展“绿色”能源与时俱进，提高利用效率，降低能量损耗成为了开关电源的发展趋势，目前主要在采用软开关技术减小开关损耗，发展新的控制技术方面进行深入的研究。此外，减小系统与电网之间谐波污染的问题也是设计开关电源需要重视的问题，并对此做各方面的研究与探讨。

(5)、高频化

高频化与小型化和提高效率密切相关，提高工作频率是为了降低变压器的体积和重量，为发展大功率开关电源提供充足的条件。

1.5 本论文的任务、设计目标

(1)交流输入电压AC220V±20%；

(2)输出电压：12V；

(3)最大输出功率：50W；

(4)纹波电压≤50MV。

(5)最大输出电流6A

(6)效率≥80%

设计目标：

可靠性高；

小型化；

稳定性好；

5

第一章绪论

6 高效率。

1.6本论文的主要工作

本论文主要完成了如下工作：

1、查阅国内外大量文献，在了解开关电源发展现状和发展趋势基础上，结合实际设计要求确定本论文的研究目的，并给出设计指标。

2、对开关电源的主功率变换电路进行详细的分析比较，取其优点，结合实际要求，设计出符合本论文需要的改进型拓扑结构。

3、对开关电源的控制回路进行设计。

4、为了保证系统的正常工作，根据实际需要设计了辅助电路，包括：输入、输出滤波整流电路和辅助电源电路。

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7 1

112t I L t I I L U D ?=-=

第二章 开关电源的整体方案分析与选择

按各部分的功能划分,从大的方面讲,开关电源可分成:电源主电路、电源控制电路、电源保护电路三部分。电源的主电路是负责进行功率转换的部分,通过适当的控制主电路可以将市电转化为所需的电压或电流。而控制电路则根据实际的需要产生主电路所需的控制脉冲和提供各种保护功能。开关电源的结构框图可如图2一1所示。

图2-1 开关电源的结构框图 单端式开关稳压电源具有多路输出直流电压、初次级电路进行隔离以及大功率或超大功率输出的特点。故我选择单端式开关稳压电源变换器。单端式开关稳压电源电路主要有一些几种：

单端自激式正激型直流变换器；

单端自激式反激型直流变换器；

单端他激式正激型直流变换器；

单端他激式反激型直流变换器；

Boost 电路，它是一种升压斩波电路，其输出电压的平均值将超过电压电源。 在电感电流连续的情况下，电路工作于两种电路模式。

（1）工作模式1[0，DT t =1]

在t=t1时刻，VT 管导通，电感中的电流连续按线性规律上升，则有

（2）工作模式2[t1,T]

第二章 开关电源的整体方案分析与选择

8 在t1=t2时刻，VT 管断开如假定在这个期间的电感电流仍按线性规律从I2降到I1，则有

2t I

L U U D O ?=-

2.1 单端自激式开关稳压电源电路具有以下特点：

电路结构简单，成本低；

内部功率损耗小，转换效率高；

输出功率小，电路调试难度大。

2.2单端他激式开关稳压电源电路具有以下特点：

功率开关变压器的初级绕线和次级绕线的极性相反；

电路中不需要续流二极管，功率开关变压器中不需要退磁绕组；

功率开关管导通的时间内把能量存储在功率开关变化器中，截止时由功率开关变压器将能量输送给负载系统电路。

2.3主电路的功率模块

开关电源器件的选择：开关电源中的功率开关器件是影响电源可靠性的关键器件。开关电源所出现故障中大约60%是由功率开关器件引起的。开关电源的器件主要有大功率器件、MOSFET 管、IGBT 等。

一：MOSFET 管

在开关电源中，用作开关功率管的MOSFET 几乎全部都是N 沟道增强型器件。根据其结构不同，分为结型场效应晶体管和金属-氧化物-半导体场效应晶体管。传统的晶体管结构是将源极、栅极、漏极安装在硅片的同一侧，从而使晶体管的电流横向流动。但是这样也限制了它的电流容量。目前的MOSFET 采用两次扩散工艺来解决这个问题。MOSFET 功率管的特点：

(1) MOSFET 是电压控制型器件，因此在驱动大电流时无需推动级，电路较简单；

输入阻抗可高；

工作频率范围宽，开关速度快，开关损耗小；有较良好的线性区，且MOSFET 的输入电容比双极型的输入电容小得多；

功率 MOSFET 可以多个并联使用，增加输出电流而无需均流电阻。

功率MOSFET 没有二次击穿问题，具有非常宽的安全工作区。特别是在高压

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范围内。但是功率MOSFET的通态电阻较大，故在低压部分不仅受最大电流的限制，还要受自身功耗的限制。

二：IGBT管

绝缘栅双极性晶体管（IGBT）是一种大电流密度、高电压激励的场控制器件，是高压、高速新型大功率器件。它的耐压能力为600~1800V，电流容量为100~400A，关断时间低至0.2us，在开关电源中做功率开关用，具有MOSFET与之不可比拟的优势。

IGBT的特点：

IGBT是一种电压控制的功率开关器件。

IGBT跟MOSFET相比，具有耐压高，电流容量大的特点。IGBT导通时正载流子从P+层流入N型区并在N型区积蓄，加强了电导调制效应，从而使IGBT 在导通时呈现的电阻比高压（300V以上）MOSFET低得多，因而IGBT容易实现高压大电流。

开通速度比MOSFET快；

关断速度比MOSFET慢。

2.4控制电路的选择

方案一：TL494集成控制器

TL494管脚配置及其功能：TL494的内部电路有基准电压产生电路、振荡电路、间歇期调整电路、两个误差放大器、脉宽调制比较器以及输出电路等组成。图2-2是它的管脚图，其中1、2脚是误差放大器一的同相和反相输入端：3脚是相应校正和增益控制；4脚为间歇期调理，其上加0~3.3V电压时可以使截止时间从2%线性变化到100%；5、6脚分别用于外界振荡电阻和振荡电容；7脚为接地端；8、9脚和11、10脚分别为TL494内部两个末级输出三极管集成电路和发射级；12脚为电源供电端；13脚为输出控制端，该脚接地时为并联单端输出方式，接14脚时为推免输出方式；14脚为5V基准电压输出端，最大输出电流10mA；15、16脚是误差放大器二的反相和同相输入端。

9

第二章开关电源的整体方案分析与选择

10

图2-2 TL494管脚图

方案二：UC3842集成控制器

UC3842是国内应用比较广泛的一种电源集成控制器，是由尤尼创公司新研

究开发的新型控制器件。

利用UC3842设计的电流控制型脉宽调制开关稳压电源，克服了电压控制型脉宽调制开关稳压电源频响慢、电压调整率和负载调整率低的缺点，电路结构简单，成本低、体积小、易实现。该稳压电源是目前使用和理想的稳压源，具有很大的发展前景。

UC3842既可制成正激式也可以做成反激式。正激式的主要特点是：

①固定频率，通过调节占空比去控制输出电压。

②工作频率可高达500KHZ而不发生磁饱和，电压调整率可达到0.01%，启动电流小于1MA。

③结构简单，体积小，调试容易，性价比高。

④具有欠压、过流、过压等多种保护功能。

2.5开关电源各主要组成部分的最终选择方案

经过仔细分析和论证，决定了系统各模块的最终方案如下：

主电路模块：采用单端他激正激型开关稳压电源；

主电路功率模块：功率开关晶体管采用IGBT；

控制电路：脉冲调制器选择用UC3842电源集成控制器。

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第三章 绝缘栅双极晶体管

3.1 IGBT 管的工作原理及特性

绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor),简称IGBT,是20世纪80年代出现的新型复合器件。由于它将MOSFET 和GTR(Giant Transistor,即巨型晶体管,简称IGTR 。它也是双极晶体管,只是耐压和过流能力较高而已)两者的优点集于一身,既具有输入阻抗高，工作速度快热稳定性好和驱动电路简单得特点，又有通态电压低，耐压高和承受电流大等优点。由于它兼有MOSFET 的快速响应、高输入阻抗和BJT 的低通态压降、高流密度的特性，这些年发展得十分迅速。

IGBT 的工作原理

IGBT 是在功率MOSFET 的基础上增加了一个 P 层发射极，形成PN 结，并由此引出集电极、栅极和发射极。

IGBT 相当于一个由MOSFET 驱动的厚基区GTR,简化等效电路可用图3一1(a)所示,图形符号如图3一1(b)所示。

图3-1(a)等效电路 (b) 符号

由栅极电压来控制IGBT 导通和关断。当IGBT 栅极加上正电压时，MOSFET 内形成沟道，并为PNP 晶体管提供基极电流，使得绝缘栅双极晶体管导通。当IGBT 栅极加上负电压时，MOSFET 内沟道消失，切断PNP 晶体管的基极电流，IGBT 被关断。

二.IGBT 管的静态特性及参数

IGBT 的静态特性包括伏安特性、转移特性、开关特性。

第三章 绝缘栅双极晶体管

12 IGBT 的伏安特性是指以栅极电压GE U 作为参变量时集电极电流和集射集电压之间的关系曲线。IGBT 的伏安特性与BJT 的输出特性相似，不同之处在于控制变量是栅射极电压GE U 。而BJT 是基极电流B I 。IGBT 的伏安特性分为饱和区、击穿区和放大区。

1、通态电压)(sat CE U

它是额定集电极电流在规定条件下时IGBT 上的压降，是影响最大输出功率的重要参数，在开关电路中它决定了输出幅度和自身损耗的大小，与工作温度T 、栅极发射极电压GE U 有关。在相同的条件下，耐压级别越高的器件，其值越大。

2、开启电压T U

开启电压T U 是指沟道体区表面发生强烈反型层所需的最低栅级电压,即反型层形成的条件。只有GE U >T U ，IGBT 才会导通。

3、集电极发射极阻断电压CES U

CES U 是IGBT 正常工作的极限电压,是设计选择管子的重要依据之一。

4、最大栅极发射极电压GES U

GES U 是为了防止绝缘栅层会因栅极发射极电压过高而发生介电击穿而设定的参数。在桥式电路中,为了防止两路开通时的互相干扰所,需要设置负偏置电压,一般可将其极限设定为士20V 。

5、集电极峰值电流CM I

CM I 是IGBT 正常工作时允许通过的最大电流,也是设计选择管子的重要依据之一。

三、IGBT 管的转移特性

IGBT 的转移特性是指输出集电极电流C I 与栅射控制电压GE U 之间的关系曲线。当栅射极电压GE U T U 时，IGBT 导通。在IGBT 导通后的大部分集电极电流范围内，C I 与GE U 呈线性关系。

四、IGBT 的开关特性

IGBT 的开关特性特称为动态特性，包括开通和关断两个部分。

IGBT 的开通时间on t 由开通延迟时间)(on d t 和电流上升时间r t 两部分组成。通常开通时间为0.5－1.2s 。IGBT 在开通过程中大部分时间是作为MOSFET 工作的。只是在栅射极电压GE U 下降过程后期，PNP 晶体管才由放大区转到饱和区，

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13 因而增加了一段延缓时间，使栅射极电压GE U 波形分为两段。

IGBT 的关断过程是从正向导通状态转换到正向阻断状态的过程。关断过程所需要的时间为关断时间off t 。off t 包括关断时间延迟时间)(off d t 和电流下降时间f t 两部分。在f t 内，集电极电流的波形分为两段，一段时间内C I 下降较快。另一段时间为IGBT 内PNP 晶体管的关断过程。由于MOSFET 关断后，PNP 晶体管中的存储电荷难以迅速消除，所以这段时间内C I 下降较慢，造成集电极电流较长的尾部时间。通常关断时间为0.55-1.5s .

IGBT 具有以下几个特点：

1、具有MOS 和BJT 的优点；

2、开关频率高；

3、导通压降低；

4、驱动简单；

5、容易冰凉。

另外，IGBT 对驱动电路的要求：

1、提供适当地正、反电压，使IGBT 能可靠开通和关断；

2、IGBT 的开关时间应综合考虑；

3、IGBT 开通后，驱动电路应提供足够的电压、电流幅值，使IGBT 在正常工作及过载情况下不致退出饱和而损坏；

4、IGBT 驱动电路中的电阻对工作性能有较大的影响；

5、驱动电路应具有较强的抗干扰能力及时对IGBT 值较大。

IGBT 在使用中除采取静电防护措施外，还应该注意一下几点：

1、IGBT 的控制、驱动及保护电路等应以其高速开关特性相匹配；

2、当G 、E 端在开路的情况下，不要给C 、E 端加压；

3、在未采取适当的防静电措施情况下，G 、E 端不能开路。

6、IGBT 在高温环境运行时，关断时间会有所增长。

3.2 变换器的主要参数的选择：

1、集射极击穿电压CES U

集射极击穿电压决定了IGBT 的最高工作电压，它是由器件内部的PNP 晶体管所能承受的击穿电压决定的，具有正温度系数，其值大约为0.63C V

0，既在

25℃时，具有600V 击穿电压，在-55℃时，只有550V 的击穿电压。

第三章 绝缘栅双极晶体管

14 2、开启电压GE U

开启电压为转移特性与横坐标交点处得电压值，是IGBT 导通的最低栅射极电压。开区电压随着温度的升高而降低。在25℃时，IGBT 的开启电压一般为2~6V 。

通态压降)(on GE U

IGBT 的通态压降为：

on D dr J on GE R I U U U ++=1)( （3-1）

式中1J U －1J 结得正向压降，约为0.7~1V ；

dr U －扩展电阻dr R 上的压降；

on R －MOSFET 的沟道电阻。

4、最大栅射极电压GES U

栅射极电压是由栅氧化层层的厚度和特性限制的，虽然栅氧化层的电击穿电压的典型值大约为80V ，但为了限制故障情况下的电流和保证长时间能使有的可靠性，应将栅极电压限制在20V 以内，它的最佳值一般取15V 。

5、集电极连续电流C I 和峰值电流CM I

集电极流过的最大连续电流C I 既为IGBT 的额定电流，它象征着IGBT 的电流容量，C I 主要结温的限制

为了避免锁定现象的发生，规定了IGBT 的最大集电极电流峰值CM I 。由于IGBT 大多工作在开关状态，因而CM I 更具有实际意义，只要不超过额定结温（150℃），IGBT 就可以工作在比连续电流额定值大的峰值电流CM I 范围内。通常峰值电流为额定电流的2倍左右。

与MOSFET 相同，参数表中给出的C I 为C T =25℃或者C T =100℃。在选择IGBT 的型号时应根据实际工作情况考虑裕量。

3.3电路的特点及设计考虑

大功率IGBT 的开关损耗主要为关断损耗。特别是在全桥电路中,基于变压器漏感的作用,刚开通时的电流会比较小,因此开通损耗也小；在关断时,由于IGBT 拖尾电流大,造成了很大的关断损耗。采用本控制方式的变换器,使IGBT 全桥电路右臂的两只元件在关断时电流、电压都为零,因而损耗也为零。而左臂的两只元件开关损耗没有发生改变,且由于关断时与其对角的元件任然继续导通,改善了其关断状态。必要时,可在左臂IGBT 管上并联电阻、电容吸收电路,