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2.9
电力电子器件应用案例

2.9.1 开关电源概述

开关电源是一种高效率、高可靠性、小型化、轻型化的稳压电源,是电子设备的主流电源,如图2.43所示。其主要是利用现代电力电子技术,控制开关管开通和关断的时间比率,改变输出电压的一种电源。

开关电源原理如图2.44所示,输入电压为AC/220 V,50 Hz的交流电,经过滤波,再由整流桥整流后变为300 V左右的高压直流电,通过功率开关管的导通和截止将直流电压变成连续的脉冲,再经变压器隔离降压及输出滤波后变为低压的直流电。开关管的导通与截止由PWM(脉冲宽度调制)控制电路发出的驱动信号控制。

图2.43 常见的PC主机开关电源

图2.44 开关电源原理图

在开关电源中,开关管通断频率很高,经常使用的是全控型器件,如GTR、电力MOSFET和IGBT。

2.9.2 GTR测试方法

(1)用万用表判别大功率晶体管的电极和类型

如果不知道管子的引脚排列,可以用万用表通过测量电阻的方法作出判别。

①判定电极。大功率晶体管的漏电流一般比较大,可以采用万用表测量极间电阻,并且采用的是满度电流比较大的低电阻。测量时,将万用表置于 R ×1挡或 R ×10挡,一表笔固定接在管子的任一电极,另一表笔分别接触其他两个电极,如果万用表读数均为小阻值或均为大阻值,则固定接触的那个电极为基极。如果按上述方法做一次测试判定不了基极,则可换一个电极再试,最多3次即可作出判定。

②判别类型。确定基极后,如果接基极的是黑表笔,而用红表笔分别接触另外两个电极时,若电阻读数均较小,则可认为该管为NPN型。如果接基极的是红表笔,用黑表笔分别接触其余两个电极时测出的阻值较小,则该三极管为PNP型。

③判定集电极和发射极。在确定基极之后,再通过测量基极对另外两个电极之间的阻值大小比较,可以区别发射极和集电极。对于PNP型晶体管,红表笔固定接基极,黑表笔分别接触另外两个电极时测出两个大小不等的阻值,以阻值较小的接法为准,黑表笔所接的是发射极。而对于NPN型晶体管,黑表笔固定接基极,用红表笔分别接触另外两个电极进行测量,以阻值较小的测量为准,红表笔所接的是发射极。

(2)通过测量极间电阻判断GTR的好坏

将万用表置于 R ×1挡或 R ×10挡,测量管子3个极间的正反向电阻便可以判断管子性能的好坏。

(3)检测大功率晶体管放大能力的简单方法

测试电路如图2.45所示,将万用表置于 R ×1挡,并准备好一只500Ω~1 kΩ的小功率电阻器 R b 。测试时先不接 R b ,即在基极开路的情况下测量集电极和发射极之间的电阻,此时万用表的指示值应为无穷大或接近无穷大位置。如果此时阻值很小甚至接近零,说明被测大功率晶体管穿透电流太大或已击穿损坏,应将其剔除。再将电阻 R b 接在被测管的基极和集电极之间,此时万用表指针将向右偏转,偏转角度越大,说明被测管的放大能力越强。如果接入 R b 与不接入 R b 时比较,万用表指针偏转大小差不多,则说明被测管的放大能力很小,甚至无放大能力,这样的三极管不能使用。

图2.45 检测大功率晶体管的放大能力

(4)检测大功率晶体管的穿透电流 I CEO

大功率晶体管的穿透电流 I CEO 测量电路如图2.46所示。图中12 V直流电源可采用干电池组或直流稳压电源,其输出电压事先用万用表DC 50 V挡测定。进行 I CEO 测量时,将万用表置于DC 10 mA挡,电路接通后,万用表指示的电流即为穿透电流 I CEO

图2.46 大功率晶体管I CEO 测量电路

(5)测量共发射极直流电流放大系数 h FE

GTR的 h FE 测量电路如图2.47所示。这里要求12 V的直流稳压电源额定输出电流大于600 mA;限流电阻 R 为20 Ω(±5%),功率≥5 W;二极管VD选用2CP或2CK型硅二极管。基极电流用万用表的DC 100 mA挡测量。此测量电路能基本上满足的测试条件为 U CE ≈1.5~2 V; I C ≈500 mA。具体操作方法:先不接万用表,按照图2.47所示连接好后合上开关S。再用万用表的红、黑表笔去接触A、B端,即可读出基极电流 I B 。于是 h FE 可按照 h FE ,其中, I B 单位为mA; I C 为500 mA(测试条件)。例如, I B =20 mA,可计算出 h FE =25。

图2.47 大功率晶体管h FE 测量电路

(6)测量饱和压降 U CES U BES

大功率晶体管的饱和压降 U CES U BES 测量电路如图2.48所示。图中12 V直流稳压源额定输出电流最好不小于1 A,至少应≥0.6 A;限流电阻 R 1 R 2 的标称值分别为20 Ω/5 W、200 Ω/0.25 W,于是电路测试条件为 I C ≈600 mA, I B ≈60 mA。具体操作方法:将万用表置于DC 10 V挡,测出集电极c和发射极e之间的电压 U CES ,测出基极b和发射极e之间的电压 U BES

图2.48 大功率晶体管U CES 及U BES 测量电路

【课程思政】

20世纪90年代,随着交流传动技术在轨道交通广泛应用,IGBT成为主流大功率开关器件,但当时IGBT产品主要依靠进口,其价格十分昂贵,严重制约了我国轨道交通工业的发展。针对该问题,中国中车通过并购整合、自主研发创新,逐渐建立自主产权的功率半导体芯片—器件—装置—系统的完整产业链,打破国外高端IGBT技术垄断,实现从研发、制造到应用的完全国产化。

【复习思考】

1.电力二极管属于哪种类型的控制器件?在电力电子电路中有哪些用途?

2.晶闸管导通的条件是什么?怎样才能使晶闸管由导通变为关断?

3.螺栓式与平板式晶闸管拧紧在散热器上,是否拧得越紧越好?

4.晶闸管夏天工作正常,冬天工作变得不可靠可能是什么原因?冬天工作正常,夏天工作不正常又可能是什么原因呢?

5.某一晶闸管接在220 V交流电路中,通过晶闸管电流的有效值为50 A,如何选择晶闸管的额定电压和额定电流?

6.可用什么样的信号作为晶闸管的门极控制信号?

7.GTO与普通晶闸管在结构和参数上有何不同?

8.电力MOSFET的开通与关断原理是什么?

9.GTR、MOSFET和IGBT各自的优缺点有哪些?

10.驱动电路在电力电子系统中有何作用?

11.RC过电压抑制电路有何作用?

【实践练习】

1.通过手册或互联网检索下列电力电子器件参数:IRKT(HL)26(晶闸管IR公司);BSM200GA120DN2(IGBT西门子);2SK1020(MOSFET富士)等。

2.检索学习驱动器EXB840的使用说明。 C3SdEMjXRQOOOXHyl3WJy8oFek0fEJ7vDI0OzM3ASd2t8+M8lyJesLz/psCslTSG

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