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问题描述:
叙述励磁控制的整体动作过程(详细回答)？
注：这道问题属于大四电气工程及其自动化专业
电力系统自动化课程的作业题。
书用的是 中国电力出版社出版的电力系统自动化！
孙莹 王葵 主编
解析:
IGBT开关式自并激微机励磁系统的原理及应用
中国电器工业经济信息网 添加时间：2006-4-12 23:49:09
[摘 要]本文以HWKT—09型微机励磁调节器为例，详尽地阐述了IGBT开关式自并激微机励磁系统的基本原理，并重点讨论了IGBT在开关励磁中的应用。给出了开关励磁系统中励磁装置的基本输入输出关系，为更深入地掌握和理解该系统打下良好的基础。
[关键词]IGBT 占空比 开关励磁 自并激系统 微机励磁调节器
1. 概述
HWKT—09型微机励磁调节器是武汉洪山电工技术研究所研制的新型的由IGBT作为功率输出器件的自并激微机励磁调节器。它的最大特点是结构简单，主控回路只需一块面积为25×20(cm2)的印制电路板，以Intel公司准16位单片机（8098）为核心，加上外围接口芯片组成的控制系统。该装置于2000年12月在我站#1、#5机上成功投运，目前运行良好。
2. IGBT自并激励磁系统的组成及主回路原理
2.1 励磁系统组成及接线方式
自并激励磁系统也就是直接励磁系统或称静态励磁系统。我站的HWKT—09型IGBT自并激励磁系统由励磁变压器、三相不可控整流桥及IGBT功率单元、灭磁单元、控制单元四部分组成。交流励磁电源取自发电机端（也称机端变压器）励磁变压器，励磁变压器的付方输出经三相不可控全波整流桥整流输出的直流电压给发电机励磁绕组励磁，励磁电流的调节经串接于发电机励磁回路的IGBT以直流斩波的方式实现。IGBT如同一只电子开关，在自动励磁调节器 AVR的控制下，连续处于导通或截止状态，以达到调节励磁电流的目的。
我站#1、#5机励磁系统由控制部分和功率部分构成。控制部分由两台HWKT－09型微机励磁调节器及各种信号输入、输出转换控制环节构成一个励磁调节器柜（标准屏）; 功率部分三相不可控全波整流桥加一组IGBT开关控制单元及相应滤波和保护回路构成功率柜（标准屏），此外系统另包括发电机灭磁柜。
因此整个发电机励磁系统由机端励磁变压器、励磁调节器HWKT－09、HKL－02功率柜、HMC－02灭磁柜及其它单元组成。
开关式自并激励磁系统接线方式如图一所示。
2.2 功率单元的组成和原理
IGBT器件结合了双极型晶体管的功率特性和场效应管控制简单的优点，将其应用于励磁领域可使功率部分简化，也消除了SCR晶闸管可控整流方式的一些弊病。使系统的经济性和可靠性得到了提高。
功率单元主要由两部分组成: 整流、滤波装置和功率开关。前者将交流励磁电源变换为直流电源后供功率开关使用，并滤除大的纹波、毛刺和均衡三相电源的负载。后者受控于调节器，调节功率开关的闭合时间即可控制励磁电流的大小。也就是说，调整功率管的导通时间即可对发电机的励磁输入功率进行控制。
2.3 励磁调节器主回路
IGBT励磁系统主回路原理图如图二所示。
把IGBT作为一只电子开关，跨接在发电机励磁绕组两端。VIN为来自励磁变压器的三相交流电压，L1为转子绕组，当1K闭合后，三相交流励磁电源通过D1～D6三相整流及电容C1滤波，得到直流电压UE，当1K闭合IGBT导通时，二极管D7截止，UE通过绕组L1、IGBT使L1中电流增加; 当IGBT截止时，L1中电流减小，产生的感应电压使D7导通，给L1续流。当IGBT导通期间，L1中的电流增加量大于在截止期间电流的减小量时，L1中的平均电流增加，反之L1中的平均电流减小。当增加量等于减小量时，L1中的平均电流不变，达到稳定运行工作状态。
2.4 励磁电压、励磁电流的计算
设三相整流滤波后的直流电压为UE，IGBT导通时间为TON，截止时间为TOFF。导通时，转子两端压降为UE; 截止时，转子电压等于续流二极管D7管压降，忽略为零。如图三所示。
由此可见，我们根据发电机机端电压、转子电流或无功负荷等因素的变化改变KC，亦即改变IGBT驱动方波的占空比，即可改变励磁绕两端的电压，从而达到调节发电机输出电压、无功的目的。
2.5 IGBT的驱动条件及方法
2.5.1 IGBT的输入特性要求其驱动电路满足以下条件:
（1）IGBT导通时提供12V——18V栅极电压;
（2）IGBT截止时提供0V——（-18V）栅极电压（为保证可靠截止，一般为-5V）;
（3）IGBT开关瞬间提供足够大的电容充放电电流;
（4）和控制电路隔离;
（5）完成IGBT过流保护。
2.5.2 驱动方法
到目前为止，IGBT有多种驱动方法，基本上是由混合集成电路组成。日本富士电机公司生产的厚膜集成电路如EXB840/841、EXB850/851是专为IGBT设计的驱动模块，符合上述所有驱动条件，是理想的驱动电路模块。HWKT—09型微机IGBT开关式励磁装置采用了这种专用芯片。驱动模块的原理框图如图四所示。
VCC、VEE为(±20V供电电源，光耦PC1提供控制电路和IGBT的隔离。Dz为5V稳压管，在IGBT截止时提供－5V反向偏压。当15脚到14脚有4mA电流通过时，光耦PC1导通，通过放大器G使输出三极管T1导通、T2截止，VCC通过T1、R8、IGBT的栅极G、射极E，稳压管Dz给IGBT栅极提供+15V正向偏置，IGBT导通; 当15脚到14脚无电流时，PC1不通，T1截止、T2导通，稳压管DZ上+5V电压通过IGBT的射极E、栅极G、R8、T2使IGBT栅极电压为－5V，保证其可靠截止。当IGBT过电流时，VCE增加，通过检测二极管D使过流保护动作，关闭放大器G，起到护作用。
2.6 灭磁及转子过电压保护
该回路由高能氧化锌压敏电阻组件和专用快速直流开关为主组成。灭磁及转子过电压保护原理接线图如图五所示。图中YMR表示氧化锌压敏电阻，它是一种非常优良的非线性元件，其电压与电流关系可用下式描述:
与此相对应的伏安特性如图六所示。可以将伏安特性划分为两个工作区域: I是小电流区，II是大电流区，A称为转折点。
由于YMR与FLQ是并联连接，当正常工作时，FLQ两端电压较低，YMR工作在小电流I区，流过它的电流较小，仅为数百微安，称为泄露电流。它既不能消耗能量，也不影响被保护对象的工作状况。一旦有过电压发生，氧化锌压敏电阻本身无任何延时，其响应时间大约为100毫秒，因此，它立即过渡到大电流II区工作,使得过电压得到限制并被吸收，保护了发电机转子免受过电压侵袭。
当需要灭磁时，指令快速直流开关FMK分断，它很快切断转子绕组与励磁电源的联系。转子作为一个大电感，使di/dt上升，即励磁绕组两端电压急剧增加，当超过氧化锌压敏电阻件的转折电压时，YMR立即工作在II区而呈现低阻状态，转子电流从FMK转移到压敏电阻上，迅速完成换流过程。转子能量得以通过压敏电阻释放，实现灭磁。在灭磁过程中，YMR两端亦即转子电压几乎为一恒定值。因此，这种灭磁方式接近于理想灭磁状态。从FMK开断到安全建压仅需要数毫秒，而整个灭磁过程经历的时间大约为400毫秒。可见，这种新型的灭磁方式确实具有操作简单，灭磁速度快，开关容量大，过电压保护水平可控等独特优点。
3. IGBT励磁系统控制单元
3.1 硬件控制电路
HWKT－09型微机励磁调节器的控制回路由主控电路、键盘显示电路、测量电路、同步电路、开关量输入电路、调宽脉冲输出电路、信号输出电路、电源等部分组成。
在设计HWKT－09的主控电路时，充分利用该单片机的一些独特之处，使得这样一块小小芯片能充分、合理的控制一套复杂的励磁系统。运行经验表明，它功能完善、性能可靠。现举几例说明HWKT－09如何充分应用单片机所拥有的资源。
◆四通道10位模数转换器(A/D)，可以十分方便地用于数据采集系统。在装置中，直接采集四路模拟信号: 发电机励磁PT电压UFL、发动机仪表PT电压UFY、发电机定子电流IF及励磁电流IL。
◆四路高速输入通道HSI.0、HSI.1、HSI.2、HSI.3，可用以记录外部事件。在本装置中，利用HSI.1通道测量同步脉冲信号，利用HSI.0通道测量功率脉冲信号。
◆六路高速输出通道HSO.0、HSO.1、HSO.2、HSO.3、HSO.4、HSO.5。在本装置中利用这些输出通道输出IGBT器件的触发信号。
◆WATCHDOG功能，使得系统在故障情况下能够自动恢复正常工作。
◆数据通讯功能，可根据用户的需要，增加与电厂监控系统的通讯。
另外，该单片机指令系统极其丰富，采用寄存器-寄存器结构，增设了乘、除法指令，使编程简洁方便。另外，CPU能接收17个中断源信号，使中断系统简练适用。一只CPU芯片几乎包含了一台计算机的所有部件。再经过有针对性的设计，使HWKT－09系列微机励磁调节器较国内其它厂家常用的八位Z80CPU、Intel8031以及8086CPU等，在用于实时控制方面，功能更强，性能更优，抗干扰性能更好，可靠性更高。
由于全部采用了进口大规模或超大规模集成电路芯片，及其它工业级器件，可靠性得到保证。由于硬件极其简单，给调试及维护带来极大的方便。另外输入、输出信号经过多重全隔离，采用了高质量的双套开关电源电路，又采取了有效的抗干扰措施以及严格的制造工艺，使得本装置不仅有很高的可靠性，而且性能优良。
3.1.1 主控电路的组成
由单片微机（8098）CPU、程序存储器（EPROM）、工作参数存储器（E2PROM）、石英晶体等组成。
3.1.2 键盘显示电路
该电路由键盘显示控制芯片、8位数码管、数码管译码驱动芯片、16位键盘、键盘译码芯片等组成。通过特殊按钮的开关信息和键盘中断来实现调节器参数设置、显示切换、(10%阶跃试验等功能。
3.1.3 测量电路
发电机电压UFY、系统电压UFL、发电机电流IF、励磁电流IL四路模拟量经降压(或变流)整流，再经运放缓冲放大、送入单片机的A/D转换器。通过对电压、电流相位的检测来计算功率因数角及有功、无功。
3.1.4 同步电路
直流励磁系统中，通过单片机内部电路产生一组同步信号，分别发送到另一套调节器，经过逻辑判断，形成脉宽调制脉冲的同步信号。
3.1.5 开关量输入电路
共有八路开关量输入，均经抗干扰处理及光电隔离，再送到相应的检测芯片。八路开关量分别是: 增加励磁接点、减少励磁接点、风机位置接点、手动接点、油开关位置接点、灭磁接点、关机接点、开机接点。
调节器面板配设相应的按钮，能“就地”、“单套”调节以及模拟发电机的运行状态。
3.1.6 调宽脉冲输出电路
由CPU的高速输出口HSO输出单相脉宽调制矩形波，经光电隔离、功率放大输出，可以直接驱动IGBT功率器件。矩形波上升沿小于5us，幅值约15V， 瞬态输出电流500mA。
3.1.7 信号输出电路
共有14路信号输出，调节器面板上有对应的14只发光二极管指示，共用4个光字牌信号输出，并可接至中央控制室。这14路输出信号分别是: +12V电源、-12V电源、+5V电源、24V电源、风机故障、手动运行、油开关状态、灭磁、低频、过励、低励、PT断线、试验及开机; 其中过励限制、顶值限制、过励保护共用过励指示信号，另还有正组脉冲指示、反组脉冲指示。
当过励保护、PT断线保护动作，调节器输出设备故障信号节点，同时在调节器面板上驱动相应指示信号; 当风机故障（功率单元温度过高）、手动、灭磁、低励限制、过励限制、顶值限制等动作，调节器输出设备异常信号，同时在调节器面板上驱动相应指示信号; 另设正组脉冲、反组脉冲两路信号指示。
3.1.8 电源
电源采用双路输入双路开关电源并联工作方式。输入电源采用交流220V整流后与直流 220V并联，输入到两套独立的开关电源，开关电源的输出并联。
此设计方式充分考虑了设备工作的基础--供电电源的可靠性和冗余度，为整个设备的 正常工作提供坚实的基础。
输入: DC220V±20％; AC220V±10％~20％，
输出: +5V/10A; +12V/2A；-12V/2A; +24V/1A; 24V与其它三路电源电气隔离，用作开关信号输入、输出和脉冲功放电源。
3.2 控制软件主程序原理流程图
控制软件程序包含各功能子模块程序、显示、给定调节、开关量保护判断、采集、功率计算、自动PID、手动PID、低励PID、控制方式选择、手动跟踪自动、自动跟踪手动、PSS、恒无功等、键盘处理子程序、高速输入中断、高速输出中断等。
主程序原理流程图如图七所示。
3.3 励磁调节器基本功能
◆保持发电机端电压恒定
◆正负调差率可以选择
◆发电机恒励磁电流运行
◆ PID及PI控制调节，附加PSS或EOC调节（可选），可变参数自适应调节及非线性最优调节
◆强励顶值限制
◆过励反时限限制
◆低励限制
◆V/F限制
◆八位数码管十进制显示多种参量，循环或定点显示
◆ 励磁/仪表电压互感器断线检测及保护
◆全数字调节
◆电源、硬件、软件故障信号以及其它各种
故障信号输出
◆与其它自动化仪器仪表及计算机监控系统的通信接口
◆空载过压保护
◆零起升压可跟踪系统电压
◆正常运行时键盘封锁
◆两套完全独立的并列运行方式
◆双套电源供电，面板测量及指示
◆模块化软件结构
◆全部参数均用十进制数字显示
◆十六只薄膜键盘在线修改控制参数
◆完备的硬、软件自诊断功能
◆开机电压自动置位，关机电压自动清零
◆状态信号显示
◆正反组脉冲输出双层隔离，面板测量及指示
◆掉电数据保护
3.4 励磁控制系统方框图
IGBT开关式自并激微机励磁控制系统方框图如图八所示。
图中A1、A2、A3分别是控制回路、励磁功率回路及发电机的输入输出特性。其中UKZ是控制环节A1的输出，它的大小和占空比KC成正比。为了方便分析，假设:
UKZ = KC
Ugl是功率环节A2的输出（平均值）。我们由图二及分析知: 在IGBT开关励磁中，输入、输出及占空比的关系为:
Ugl=1.35UINKC
由此可知，Ugl及KC是线性关系，因而系统具有很好的线性度和稳定性，降低了控制的复杂性。
4. 结束语
IGBT开关式励磁调节器成功地将新型功率复合电子器件——绝缘栅双极性晶体管IGBT运用于励磁控制领域。由于IGBT同时具备承受高电压、大电流和工作速度快、控制功率低的特点，使得开关式励磁调节器结构简单、性能价格比大大提高。我们相信，随着大功率规格的IGBT的出现，以IGBT作为功率器件的开关式励磁系统将会得到更加广泛的应用。
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。
（
