高職《汽車電工電子技術》PPT電子課件,汽車電工電子技術,高職,汽車,電工,電子技術,PPT,電子,課件 汽車電工電子第第10章章集成電路在汽車電腦中的應用集成電路在汽車電腦中的應用微控制器智能功率半導體器件電源集成電路汽車照明專用LED驅動器本章學習目標1、掌握微控制器的分類及作用2、掌握智能功率半導體器件的分類3、了解電源集成電路4、掌握汽車照明專用LED驅動器作用隨著汽車工業(yè)與電子工業(yè)的不斷發(fā)展，電子技術在汽車上的應用也越來越廣泛。尤其是隨著單片機技術和總線技術在汽車上的廣泛應用，極大地改善了汽車的綜合性能，使汽車逐步進入智能化的控制時代。目前汽車上使用的微控制器以通用單片機和高抗干擾及耐振的汽車專用單片機為主，其速度和精度不如計算用微機高，但抗干擾性能較強，能適應汽車振動大等惡劣的工作環(huán)境。集成電路的分類1.按其功能、結構的不同分類可以分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路兩大類。2.按制作工藝分類集成電路按制作工藝可分為半導體集成電路和薄膜集成電路。膜集成電路又分類厚膜集成電路和薄膜集成電路。3.集成電路按集成度劃分集成電路按集成度可劃分為小規(guī)模集成電路(SSI，數(shù)十器件/片)，中規(guī)模集成電路(MSI，數(shù)百器件/片)，大規(guī)模集成電路(LSI，數(shù)千器件/片)，超大規(guī)模集成電路(VSI，大于1萬器件/片)4.按導電類型不同分類集成電路按導電類型可分為雙極型集成電路和單極型集成電路,他們都是數(shù)字集成電路.5.按用途分類集成電路按用途可分為電視機用集成電路、音響用集成電路、影碟機用集成電路、錄像機用集成電路、電腦（微機）用集成電路、電子琴用集成電路、通信用集成電路、照相機用集成電路、遙控集成電路、語言集成電路、報警器用集成電路及各種專用集成電路。6.按應用領域分類集成電路按應用領域可分為標準通用集成電路和專用集成電路。7.按外形分類集成電路按外形可分為圓形(金屬外殼晶體管封裝型,一般適合用于大功率)、扁平型(穩(wěn)定性好,體積小)和雙列直插型.10.1微控制器微控制器微控制器是將微型計算機的主要部分集成在一個芯片上的單芯片微型計算機。微控制器誕生于20世紀70年代中期，經過20多年的發(fā)展，其成本越來越低，而性能越來越強大，這使其應用已經無處不在，遍及各個領域。例如電機控制、條碼閱讀器掃描器、消費類電子、游戲設備、電話、HVAC、樓宇安全與門禁控制、工業(yè)控制與自動化和白色家電(洗衣機、微波爐)等。微控制器可從不同方面進行分類：根據(jù)數(shù)據(jù)總線寬度可分為8位、16位和32位機；根據(jù)存儲器結構可分為Harvard結構和VonNeumann結構；根據(jù)內嵌程序存儲器的類別可分為OTP、掩膜、EPROMEEPROM和閃存Flash；根據(jù)指令結構又可分為CISC(ComplexInstructionSetComputer)和RISC(ReducedInstructionSetComputer)微控制器10.1.1微控制器的發(fā)展歷程微控制器的發(fā)展歷程Intel公司作為最早推出微處理器的公司，同樣也是最早推出微控制器的公司。繼1976年推出MCS48后，又于1980年推出了MCS51，為發(fā)展具有良好兼容性的新一代微控制器奠定了良好的基礎。在8051技術實現(xiàn)開放后，Philips、Atmel、Dallas和Siemens等公司紛紛推出了基于80C5l內核(805l的CMC)S版本)的微控制器。這些各具特色的產品能夠滿足大量嵌入式應用需求?；贑ISC架構的微控制器除了80C51外，還包括Motorola提供的68HC系列微控制器，這也是大量應用的微控制器系列。基于RISC架構的微控制器則包括Microchip的PIC系列8位微控制器等。在16位RISC架構的微控制器中，Maxim公司推出的MAXQ系列微控制器以其高性能、低功耗和卓越的代碼執(zhí)行效率，成為許多需要高精度混合信號處理以及便攜式系統(tǒng)和電池供電系統(tǒng)的理想選擇。10.1.2常見微控制器簡介常見微控制器簡介1.基于基于8051內核的內核的COSC微控制器微控制器迄今為止，MCS51已成為8位機中運行最慢的系列。現(xiàn)在Dallas推出的DS89C430系列產品在保持與80C51引腳和指令集兼容的基礎上，每個機器周期僅為一個時鐘，實現(xiàn)了8051系列的最高吞吐率。一般而言，對于現(xiàn)有的基于8051的應用軟件可以直接寫入DS89C430而無需進行更改。除此之外，DS89C430還在許多其他方面引入了新的功能，從而為具體應用提供了更多靈活性。2.基于基于RISC架構的微控制器架構的微控制器MAXQ2000微控制器是MaxinoDallas公司推出的一款基于RIS(：架構的16位微控制器。理解這款微控制器的一些結構特點，可以使我們更好地理解RISO結構微控制器的最新發(fā)展趨勢和技術特點，從而為我們構建新型系統(tǒng)提供更加理想的選擇。MAXQ2000的指令讀取和執(zhí)行操作在一個周期內完成，而沒有流水線操作，這是因為指令既包含了操作碼也包括了數(shù)據(jù)。字母Q表示這款微控制器的一個重要特點便是“安靜”，MAXQ架構通過智能化的時鐘管理來降低噪聲MAXQ2000的主要特性1)指令集指令集由23條對寄存器和存儲器進行操作的固定長度的16位指令組成。指令集高度正交，允許算術和邏輯操作使用累加器和任何寄存器。特殊功能寄存器控制外圍設備，并細分成寄存器模塊。產品系列的結構是模塊化的，因此新的器件和模塊能夠繼續(xù)使用為現(xiàn)有產品開發(fā)的代碼該結構是基于傳送觸發(fā)的，這意味著對某一寄存器位置的讀或寫會產生額外作用。2)存儲器配置MAXQ2000具有32KB閃存、lKBRAM、4KB的內部ROM存儲器塊和16級堆棧存儲器。存儲器缺省配置成Harvard結構，程序和數(shù)據(jù)存儲器具有獨立的地址空間，還可以使能為VorlNcumann存儲器配置模式，即將固定用途ROM、代碼和數(shù)據(jù)存儲器放置到一個連續(xù)的存儲器映射中這適合于需要進行動態(tài)程序修改或特殊存儲器配置的應用。閃存程序存儲器可以通過16字密鑰進行密碼保護，從而防止未授權者訪問程序存儲器。同時，還具有3個數(shù)據(jù)指針，支持高效快速地處理數(shù)據(jù)3)寄存器組器件的大多數(shù)功能是由寄存器組來控制的。這些寄存器為存儲器操作提供工作空間，并配置和尋址器件上的外設寄存器。寄存器分成兩大類：系統(tǒng)寄存器和外設寄存器公共寄存器組也稱作系統(tǒng)寄存器，包括ALU、累加器寄存器、數(shù)據(jù)指針、堆棧指針等。外設寄存器定義了可能包含在基于MAXQ架構的不同產品中的附加功能4)電源管理MAXQ2000同樣提供了先進的電源管理功能，根據(jù)系統(tǒng)不同時刻的不同性能需求，可以動態(tài)設置處理速度，從而大大降低功耗。通過軟件選擇分頻功能，來選擇系統(tǒng)時鐘周期是l、2、4或者8個振藹周期。為進一步降低功耗，還有另外三種低功耗模式，256分頻、32kH。和停機模式。5)中斷提供多個中斷源，可對內部和外部事件快速響應。MAXQ結構采用了單一中斷向量(IV)和單一中斷服務程序(ISR)設計。必須在用戶中斷程序內清除中斷標志，以避免由同一中斷源引發(fā)重復中斷。當檢測到使能的中斷時，軟件跳轉到一個用戶可編程的中斷向量位置。一旦軟件控制權轉移到ISR，可以使用中斷識別寄存器(IIR)來判定中斷源是系統(tǒng)寄存器還是外設寄存器。然后，就可以查詢特定模塊以確定具體中斷源，并采取相應的操作。由于中斷源是由用戶軟件識別的，因此用戶可以為每種應用確立一個獨特的中斷優(yōu)先級方案。6)高速硬件乘法器集成的硬件乘法器模塊執(zhí)行高速乘法、乘方和累加操作，并能在一個周期內完成一個16位16位乘法和累加操作。硬件乘法器由2個6位并行加載操作數(shù)寄存器(MA，MB)和1個累加器組成。加載寄存器能夠自動啟動操作，從而節(jié)省了重復計算的時間。硬件乘法器的累加功能是數(shù)字濾波、信號處理以及PII)控制系統(tǒng)中的一個基奉單元，這使得MAXQ2000可以勝任需要大量數(shù)學運算的應用。10.1.3微處理器體系結構微處理器體系結構目前的微處理器分為兩種結構。哈佛結構和馮諾伊曼結構哈佛結構是一種將程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開的存儲器結構。中央處理器首先到程序指令存儲器中讀取程序指令內容，解碼后得到數(shù)據(jù)地址，再到相應的數(shù)據(jù)存儲器中讀取數(shù)據(jù)，并進行下一步的操作（通常是執(zhí)行）。程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開，可以使指令和數(shù)據(jù)有不同的數(shù)據(jù)寬度，如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位寬度，而數(shù)據(jù)是8位寬度。馮諾伊曼結構也稱普林斯頓結構，是一種將程序指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合并在一起的存儲器結構。程序指令存儲地址和數(shù)據(jù)存儲地址指向同一個存儲器的不同物理位置，因此程序指令和數(shù)據(jù)的寬度相同，如英特爾公司的8086中央處理器的程序指令和數(shù)據(jù)都是16位寬。目前使用馮諾伊曼結構的中央處理器和微控制器有很多。除了上面提到的英特爾公司的8086，英特爾公司的其他中央處理器、安謀公司的ARM7、MIPS公司的MIPS處理器也采用了馮諾伊曼結構。10.2智能功率半導體器件智能功率半導體器件功率半導體器件，又稱為電力電子器件（PowerElectronicDevice），用于電能變換和電能控制電路中的大功率(通常指電流為數(shù)十至數(shù)千安，電壓為數(shù)百伏以上)電子器件。又稱功率電子器件。20世紀50年代，電力電子器件主要是汞弧閘流管和大功率電子管。60年代發(fā)展起來的晶閘管，因其工作可靠、壽命長、體積小、開關速度快，而在電力電子電路中得到廣泛應用。70年代初期，已逐步取代了汞弧閘流管。80年代，普通晶閘管的開關電流已達數(shù)千安，能承受的正、反向工作電壓達數(shù)千伏。在此基礎上，為適應電力電子技術發(fā)展的需要，又開發(fā)出門極可關斷晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管、逆導晶閘管等一系列派生器件，以及單極型MOS功率場效應晶體管、雙極型功率晶體管、靜電感應晶閘管、功能組合模塊和功率集成電路等新型電力電子器件。10.2.1功率半導體器件的分類功率半導體器件的分類1.按可控性分類，也即根據(jù)能被驅動（觸發(fā)）電路輸出控制信號所控制的程度，可將功率半導體器件分為不控型器件、半控型器件、全控型器件等3種。其中晶閘管為半控型器件，承受電壓和電流容量在所有器件中最高；電力二極管為不可控器件，結構和原理簡單，工作可靠；還可以分為電壓驅動型器件和電流驅動型器件，其中GTO、GTR為電流驅動型器件，IGBT、電力MOSFET為電壓驅動型器件。功率半導體器件的功率半導體器件的特點IGBT優(yōu)點：開關速度高，開關損耗小，具有耐脈沖電流沖擊的能力，通態(tài)壓降較低，輸入阻抗高，為電壓驅動，驅動功率??；缺點：開關速度低于電力MOSFET,電壓，電流容量不及GTOGTR優(yōu)點：耐壓高，電流大，開關特性好，通流能力強，飽和壓降低；缺點：開關速度低，為電流驅動，所需驅動功率大，驅動電路復雜，存在二次擊穿問題GTO優(yōu)點：電壓、電流容量大，適用于大功率場合，具有電導調制效應，其通流能力很強；缺點：電流關斷增益很小，關斷時門極負脈沖電流大，開關速度低，驅動功率大，驅動電路復雜，開關頻率低電力MOSFET優(yōu)點：開關速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅動功率小且驅動電路簡單，工作頻率高，不存在二次擊穿問題；缺點：電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。2.按驅動信號類型分類按驅動信號類型可分為電流驅動型和電壓驅動型。（1）電流驅動型通過在控制端注入或抽出電流來實現(xiàn)開通或關斷的器件稱為電流驅動型功率半導體器件。GTO、GTR為電流驅動型功率半導體器件。（2）電壓驅動型通過在控制端和另一公共得端加入一定的電壓信號來實現(xiàn)開通或關斷的器件稱為電壓驅動型功率半導體器件。PMOSFET、IGBT為電壓驅動型功率半導體器件。10.2.2大功率二極管大功率二極管大功率二極管的內部結構是一個具有型及型兩層半導體、一個PN結和陽極A、陰極K的兩層兩端半導體器件。從外部構成看，也分成管芯和散熱器兩部分。這是由于二極管工作時管芯中要通過強大的電流，而PN結又有一定的正向電阻，管芯要因損耗而發(fā)熱。為了管芯的冷卻，必須配備散熱器。a）符號b）螺旋式c）平板式1大功率二極管的伏安特性大功率二極管的伏安特性二極管陽極和陰極間的電壓Uak與陽極電流ia間的關系稱為伏安特性，如圖，第象限為正向特性區(qū)，表現(xiàn)為正向導通狀態(tài)。第象限為反向特性區(qū)，表現(xiàn)為反向阻斷狀態(tài)。2大功率二極管的開通、關斷特性大功率二極管的開通、關斷特性（1）大功率二極管的開通過程（2）大功率二極管的關斷過程10.2.3晶閘管（晶閘管（SCR）1晶閘管的結構晶閘管也稱可控硅，是大功率的半導體器件，從總體結構上看，可區(qū)分為管芯及散熱器兩大部分。a）螺栓型b）平板型c）符號晶閘管的散熱器a）自冷b）風冷c）水冷2晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理通過理論分析和實驗驗證表明：（1）只有當晶閘管同時承受正向陽極電壓和正向門極電壓時晶閘管才能導通，兩者不可缺一。（2）晶閘管一旦導通后門極將失去控制作用，門極電壓對管子隨后的導通或關斷均不起作用，故使晶閘管導通的門極電壓不必是一個持續(xù)的直流電壓，只要是一個具有一定寬度的正向脈沖電壓即可，脈沖的寬度與晶閘管的開通特性及負載性質有關。這個脈沖常稱之為觸發(fā)脈沖。（3）要使已導通的晶閘管關斷，必須使陽極電流降低到某一數(shù)值之下（約幾十毫安）。這可以通過增大負載電阻，降低陽極電壓至接近于零或施加反向陽極電壓來實現(xiàn)。這個能保持晶閘管導通的最小電流稱為維持電流，是晶閘管的一個重要參數(shù)。3晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性靜態(tài)特性又稱伏安特性，指的是器件端電壓與電流的關系。這里介紹陽極伏安特性和門極伏安特性。（1）陽極伏安特性晶閘管的陽極伏安特性表示晶閘管陽極與陰極之間的電壓Uak與陽極電流ia之間的關系曲線，正向阻斷高阻區(qū)；負阻區(qū)；正向導通低阻區(qū)；反向阻斷高阻區(qū)（2）門極伏安特性晶閘管的門極與陰極間存在著一個PN結J3，門極伏安特性就是指這個PN結上正向門極電壓Ug與門極電流Ig間的關系。由于這個結的伏安特性很分散，無法找到一條典型的代表曲線，只能用一條極限高阻門極特性和一條極限低阻門極特性之間的一片區(qū)域來代表所有元件的門極伏安特性，如圖陰影區(qū)域所示。(2)動態(tài)特性動態(tài)特性（1）開通特性晶閘管由截止轉為導通的過程為開通過程。在晶閘管處在正向阻斷的條件下突加門極觸發(fā)電流，由于晶閘管內部正反饋過程及外電路電感的影響，陽極電流的增長需要一定的時間。從突加門極電流時刻到陽極電流上升到穩(wěn)定值IT的10%所需的時間稱為延遲時間td，而陽極電流從10%IT上升到90%IT所需的時間稱為上升時間tr，延遲時間與上升時間之和為晶閘管的開通時間tgt=td+tr，普通晶閘管的延遲時間為0.51.5s，上升時間為0.53s。延遲時間隨門極電流的增大而減少，延遲時間和上升時間隨陽極電壓上升而下降。晶閘管常應用于低頻的相控電力電子電路時，有時也在高頻電力電子電路中得到應用，如逆變器等。在高頻電路應用時，需要嚴格地考慮晶閘管的開關特性，即開通特性和關斷特性。（2）關斷特性通常采用外加反壓的方法將已導通的晶閘管關斷。反壓可利用電源、負載和輔助換流電路來提供。要關斷已導通的晶閘管，通常給晶閘管加反向陽極電壓。晶閘管的關斷，就是要使各層區(qū)內載流子消失，使元件對正向陽極電壓恢復阻斷能力。突加反向陽極電壓后，由于外電路電感的存在，晶閘管陽極電流的下降會有一個過程，當陽極電流過零，也會出現(xiàn)反向恢復電流，反向電流達最大值IRM后，再朝反方向快速衰減接近于零，此時晶閘管恢復對反向電壓的阻斷能力。4晶閘管的型號晶閘管的型號普通型晶閘管型號可表示如下：KP電流等級電流等級電壓等級電壓等級/100通態(tài)平均電壓組別通態(tài)平均電壓組別其中其中K代表閘流特性，P為普通型。如KP50015型號的晶閘管表示其通態(tài)平均電流（額定電流）IT（AV）為500A，正反向重復峰值電壓（額定電壓）UR為1500V，通態(tài)平均電壓組別以英文字母標出，小容量的元件可不標。10.2.4大功率晶體管（大功率晶體管（GTR）從工作原理和基本特性上看，大功率晶體管與普通晶體管并無本質上的差別，但它們在在工作特性的側重面上有較大的差別。對于普通晶體管，所被注重的特性參數(shù)為電流放大倍數(shù)、線性度、頻率響應、噪聲、溫漂等；而對于大功率晶體管，重要參數(shù)是擊穿電壓、最大允許功耗、開關速度等。a）普通晶體管結構b）GTR結構c）符號1工作特性工作特性(1)靜態(tài)特性（1）輸入特性輸入特性如圖所示，它表示UCE一定時，基極電流IB與基極發(fā)射極UBE之間的函數(shù)關系，它與二極管PN結的正向伏安特性相似。a）輸入特性b）輸出特性（2）輸出特性大功率晶體管運行時常采用共射極接法，共射極電路的輸出特性是指集電極電流IC和集電極發(fā)射極電壓UCE的函數(shù)關系，如圖所示。由圖中可以看出，GTR的工作狀態(tài)可以分成四個區(qū)域：截止區(qū)（也稱阻斷區(qū)）、線性放大區(qū)、準飽和區(qū)和飽和區(qū)（也稱深飽和區(qū)）。(2)動態(tài)特性動態(tài)特性GTR主要工作在截止區(qū)及飽和區(qū)，切換過程中快速通過放大區(qū)，這個開關過程即反映了GTR的動態(tài)特性。當在GTR基極施以脈沖驅動信號時，GTR將工作在開關狀態(tài)，如圖121所示。在t0時刻加入正向基極電流，GTR經延遲和上升階段后達到飽和區(qū)，故開通時間ton為延遲時間td與上升時間tr之和，其中td是由基極與發(fā)射極間結電容Cbe充電而引起，tr是由基區(qū)電荷儲存需要一定時間而造成的。當反向基極電流信號加到基極時，GTR經存儲和下降階段才返回載止區(qū)，則關斷時間toff為存儲時間ts與下降時間tf之和，其中ts是除去基區(qū)超量儲存電荷過程引起的，tf是基極與發(fā)射極間結電容Cbe放電而產生的結果。在實際應用時，增大驅動電流，可使td和tr都減小，但電流也不能太大，否則將增大存儲時間。在關斷GTR時，加反向基極電壓可加快電容上電荷的釋放，從而減少ts與tf，但基極電壓不能太大，以免使發(fā)射結擊穿。為提高GTR的開關速度，可選用結電容比較小的快速開關晶體管，也可利用加速電容來改善GTR的開關特性。在GTR基極電路電阻Rb兩端并聯(lián)一電容Cs，利用換流瞬間其上電壓不能突變的特性可改善晶體管的開關特性。2主要參數(shù)主要參數(shù)(1)電壓參數(shù)（1）集電極額定電壓UCEM加在GTR上的電壓如超過規(guī)定值時，會出現(xiàn)電壓擊穿現(xiàn)象。擊穿電壓與GTR本身特性及外電路的接法有關。各種不同接法時的擊穿電壓的關系如下：BUCBOBUCEXBUCESBUCERBUCEO其中，BUCBO為發(fā)射極開路，集電極與基極間的反向擊穿電壓；BUCEX為發(fā)射極反向偏置時集電極與發(fā)射極間的擊穿電壓；BUCES、BUCER分別為發(fā)射極與基極間用電阻聯(lián)接或短路連接時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓；BUCEO為基極開路時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓。GTR的最高工作電壓UCEM應比最小擊穿BUCEO低，從而保證元件工作安全。(2)電流參數(shù)電流參數(shù)（1）連續(xù)（直流）額定（集電極）電流IC連續(xù)（直流）額定電流指只要保證結溫不超過允許的最大結溫、晶體管所允許連續(xù)通過的直流電流值。（2）集電極額定電流（最大允許電流）ICM集電極額定電流是取決于最高允許結溫下引線、硅片等的破壞電流，超過這一額定值必將導致晶體管內部結構件的燒毀。在實際使用中可以利用熱容量效應，根據(jù)占空比來增大連續(xù)電流，但不能超過峰值額定電流。（3）基極電流最大允許值IBM基極電流最大允許值比集電極額定電流的數(shù)值要小得多，通常IBM=（1/21/10）ICM，而基極發(fā)射極間的最大電壓額定值通常只有幾伏。（4）集電極最大耗散功率PCM集電極最大耗散功率是指最高工作溫度下允許的耗散功率。它受結溫的限制，由集電極工作電壓和電流的乘積所決定。10.2.5功率場效應晶體管（功率場效應晶體管（P-MOSFET）1結構MOSFET的類型很多，按導電溝道可分為P溝道和N溝道；根據(jù)柵極電壓與導電溝道出現(xiàn)的關系可分為耗盡型和增強型。a）結構圖b）符號（N溝道）c）符號（P溝道）2工作原理工作原理MOSFET的三個極分別為柵極G、漏極D和源極S。當漏極接正電源，源極接負電源，柵源極間的電壓為零時，P基區(qū)與N區(qū)之間的PN結反偏，漏源極之間無電流通過。如在柵源極間加一正電壓UGS，則柵極上的正電壓將其下面的P基區(qū)中的空穴推開，而將電子吸引到柵極下的P基區(qū)的表面，當UGS大于開啟電壓UT時，柵極下P基區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，從而使P型半導體反型成N型半導體，成為反型層，由反型層構成的N溝道使PN結消失，漏極和源極間開始導電。UGS數(shù)值越大，PMOSFET導電能力越強，ID也就越大。3.工作特性工作特性(1)靜態(tài)特性漏極伏安特性轉移特性（1）漏極伏安特性漏極伏安特性也稱輸出特性，如圖，可以分為三個區(qū)：可調電阻區(qū)，飽和區(qū)，擊穿區(qū)。在區(qū)內，固定柵極電壓UGS，漏源電壓UDS從零上升過程中，漏極電流iD首先線性增長，接近飽和區(qū)時，iD變化減緩，而后開始進入飽和。達到飽和區(qū)后，此后雖UDS增大，但iD維持恒定。從這個區(qū)域中的曲線可以看出，在同樣的漏源電壓UDS下，UGS越高，因而漏極電流iD也大。當UDS過大時，元件會出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，進入擊穿區(qū)。（2）轉移特性漏極電流ID與柵源極電壓UGS反映了輸入電壓和輸出電流的關系，稱為轉移特性，如圖1017所示。當ID較大時，該特性基本上為線性。曲線的斜率gID/UGS稱為跨導，表示PMOSFET柵源電壓對漏極電流的控制能力，與GTR的電流增益含義相似。圖中所示的UGS（th）為開啟電壓，只有UGSUGS（th）時才會出現(xiàn)導電溝道，產生柵極電流ID。(2)開關特性開關特性PMOSFET是多數(shù)載流子器件，不存在少數(shù)載流子特有的存貯效應，因此開關時間很短，典型值為20ns，而影響開關速度的主要是器件極間電容。如圖為元件極間電容的等效電路，從中可以求得器件輸入電容為CinCGSCGD。正是Cin在開關過程中需要進行充、放電，影響了開關速度。同時也可看出，靜態(tài)時雖柵極電流很小，驅動功率小，但動態(tài)時由于電容充放電電流有一定強度，故動態(tài)驅動仍需一定的柵極功率。開關頻率越高，柵極驅動功率也越大。開關特性PMOSFET的開關過程如圖，其中UP為驅動電源信號，UGS為柵極電壓，iD為漏極電流。當UP信號到來時，輸入電容Cin有一充電過程，使柵極電壓UGS只能按指數(shù)規(guī)律上升。PMOSFET的開通時間為tontd(on)tr。當UP信號下降為零后，柵極輸入電容in上貯存的電荷將通過信號源進行放電，使柵極電壓UGS按指數(shù)下降，到UP結束后的td(off)時刻，iD電流才開始減小，故td(off)稱為關斷延遲時間。PMOSFET的關斷時間應為tofftd(off)tf。4.主要參數(shù)與安全工作區(qū)主要參數(shù)與安全工作區(qū)(1)主要參數(shù)主要參數(shù)（1）漏極電壓UDS漏極電壓UDS為PMOSFET的電壓定額。（2）電流定額ID電流定額ID為漏極直流電流，IDM為漏極脈沖電流幅值。（3）柵源電壓UGS柵源間加的電壓不能大于此電壓，否則將擊穿元件。(2)安全工作區(qū)安全工作區(qū)PMOSFET是多數(shù)載流子工作的器件，元件的通態(tài)電阻具有正的溫度系數(shù)，即溫度升高通態(tài)電阻增大，使漏極電流能隨溫度升高而下降，因而不存在電流集中和二次擊穿的限制，有較寬的安全工作區(qū)。PMOSFET的正向偏置安全工作區(qū)由四條邊界包圍框成，如圖，其中為漏源通態(tài)電阻限制線；為最大漏極電流IDM限制線；為最大功耗限制線；為最大漏源電壓限制線。10.2.6絕緣柵雙極型晶體管絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）IGBT的基本結構如圖，與PMOSFET結構十分相似，相當于一個用MOSFET驅動的厚基區(qū)PNP晶體管。仔細觀察發(fā)現(xiàn)其內部實際上包含了兩個雙極型晶體管P+NP及N+PN，它們又組合成了一個等效的晶閘管。這個等效晶閘管將在IGBT器件使用中引起一種“擎住效應”，會影響IGBT的安全使用。a）結構示意圖b）等效電路c）符號2工作原理工作原理IGBT的等效電路如圖所示，是以PNP型厚基區(qū)GTR為主導元件、N溝道MOSFET為驅動元件的達林頓電路結構器件，Rdr為GTR基區(qū)內的調制電阻。IGBT的開通與關斷由柵極電壓控制。柵極上加正向電壓時MOSFET內部形成溝道，使IGBT高阻斷態(tài)轉入低阻通態(tài)。在柵極加上反向電壓后，MOSFET中的導電溝道消除，PNP型晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。3.工作特性工作特性(1)靜態(tài)特性靜態(tài)特性IGBT的靜態(tài)特性主要有輸出特性及轉移特性，如圖，輸出特性表達了集電極電流IC與集電極發(fā)射極間電壓UCE之間的關系，分飽和區(qū)、放大區(qū)及擊穿區(qū)。IGBT的轉移特性表示了柵極電壓UG對集電極電流IC的控制關系。在大部分范圍內，IC與UG呈線性關系。a）輸出特性b）轉移特性(2)動態(tài)特性動態(tài)特性IGBT的動態(tài)特性即開關特性，如圖，其開通過程主要由其MOSFET結構決定。當柵極電壓UG達開啟電壓UG（th）后，集電極電流IC迅速增長，其中柵極電壓從負偏置值增大至開啟電壓所需時間td（on）為開通延遲時間；集電極電流由10額定增長至90額定所需時間為電流上升時間tri，故總的開通時間為tontd（on）tri。10.2.7其他新型功率開關器件其他新型功率開關器件1.靜電感應晶體管和靜電感應晶閘管靜電感應晶體管和靜電感應晶閘管靜電感應晶體管（SIT）和靜電感應晶閘管（SITH）是兩種結構與原理有許多相似之處的新型高頻大功率電力電子器件，是利用靜電感應原理控制工作電流的功率開關器件。SIT和SITH具有功耗低，開關速度高，輸入阻抗高，可用柵壓控制開關的優(yōu)點，在感應加熱、超聲波加工、廣播發(fā)射等高頻大功率裝置以及逆變電源、開關電源、放電設備電源等新型電源的應用中具有很強的優(yōu)勢。(1)靜電感應晶體管（靜電感應晶體管（SIT）SIT的結構原理圖，分別為SIT符號SITH的符號。靜電感應晶體管（SIT）是一種結型場效應晶體管，于1970年已開始研制。SIT的結構如圖所示。在一塊摻雜濃度很高的N型半導體兩側有P型半導體薄層，分別引出漏極D、源極S和柵極G。(2)靜電感應晶閘管（靜電感應晶閘管（SITH）靜電感應晶閘管（SITH）又稱為場控晶閘管FCT（FieldControlledThyristor），其通斷控制機理與SIT類似。結構上的差別僅在于SITH是在SIT結構基礎上增加了一個PN結，而在內部多形成了一個三極管，兩個三極管構成一個晶閘管而成為靜電感應晶閘管。柵極不加電壓時，SITH與SIT一樣也處于通態(tài)，外加柵極負電壓時由通態(tài)轉入斷態(tài)。由于SITH比SIT多了一個具有少子注入功能的PN結，所以SITH屬于兩種載流子導電的雙極型功率器件。實際使用時，為了使器件可靠地導通，常取56V的正柵壓而不是零柵壓以降低器件通態(tài)壓降。一般關斷SIT和SITH需要幾十伏的負柵壓。2.MOS控制晶閘管和集成門極換流晶閘管控制晶閘管和集成門極換流晶閘管(1)MOS控制晶閘管（控制晶閘管（MCT）MOS控制晶閘管（MCT）的靜態(tài)特性與晶閘管相似，由于它的輸入端由MOS管控制，MCT屬場控型器件,其開關速度快，驅動電路比GTO的驅動電路要簡單；MCT的輸出端為晶閘管結構，其通態(tài)壓降較低，與SCR相當，比IGBT和GTR都要低。MCT出現(xiàn)于20世紀80年代，開始發(fā)展很快，但其結構和制造工藝比較復雜，成品率不高，由于這些關鍵技術問題沒有得到很好的解決，目前MCT沒能投入實際使用。MCT的結構類似于IGBT，是一種復合型大功率器件，它將PMOSFET的高輸入阻抗、低驅動功率及快開關速度和晶閘管的高電壓、大電流、低導通壓降的特點結合起來。其等值電路和符號如圖所示。(2)集成門極換流晶閘管集成門極換流晶閘管（IGCT）集成門極換流晶閘管（IGCT）于20世紀90年代開始出現(xiàn)。IGCT的結構是將GTO芯片與反并聯(lián)二極管和門極驅動電路集成在一起，再將其門極驅動器在外部以低電感方式連接成環(huán)狀的門電極。IGCT具有大電流、高電壓、高開關頻率（比GTO高10倍）、結構緊湊、可靠性好、損耗低、制造成品率高等特點。目前，IGCT已在電力系統(tǒng)中得到應用，以后有可能取代GTO在大功率場合應用的地位。a）MCT等值電路b）符號3.功率模塊與功率集成電路功率模塊與功率集成電路近十多年來，功率半導體器件研制和開發(fā)中的一個共同趨勢是模塊化。功率半導體開關模塊（功率模塊）是把同類的開關器件或不同類的一個或多個開關器件，按一定的電路拓撲結構連接并封裝在一起的開關器件組合體。模塊化可以縮小開關電路裝置的體積，降低成本，提高可靠性，便于電力電子電路的設計、研制，更重要的是由于各開關器件之間的連線緊湊，減小了線路電感，在高頻工作時可以簡化對保護、緩沖電路的要求。功率模塊（PowerModule）最常見的拓撲結構有串聯(lián)、并聯(lián)、單相橋、三相橋以及它們的子電路，而同類開關器件的串、并聯(lián)目的是要提高整體額定電壓、電流。如將功率半導體器件與電力電子裝置控制系統(tǒng)中的檢測環(huán)節(jié)、驅動電路、故障保護、緩沖環(huán)節(jié)、自診斷等電路制作在同一芯片上，則構成功率集成電路（PowerIntegratedCircuitPIC）。PIC中有高壓集成電路（HighVoltageICHVIC）、智能功率集成電路（SmartPowerICSPIC）、智能功率模塊（IntelligentPowerModuleIPM）等，這些功率模塊已得到了較為廣泛的應用。IPM的原理框圖功率半導體器件及技術在實現(xiàn)電能變換與控制中十分重要，橫跨“電力”、“電子”和“控制”三個領域，構成了利用弱電子控制強電力的橋梁，被廣泛應用于工農業(yè)生產、國防、交通、能源等各個領域。隨著高電壓、大功率、高頻自關斷功率半導體器件的不斷涌現(xiàn)和發(fā)展，功率變換技術的日臻完善，極大地推動了電力電子技術在電氣工程中的應用，在電能產生、傳輸、儲存、變換、控制的各種環(huán)節(jié)都有很多典型應用。10.3電源集成電路電源集成電路由于電子技術的特性，電子設備對電源電路的要求就是能夠提供持續(xù)穩(wěn)定、滿足負載要求的電能，而且通常情況下都要求提供穩(wěn)定的直流電能。提供這種穩(wěn)定的直流電能的電源就是直流穩(wěn)壓電源。直流穩(wěn)壓電源在電源技術中占有十分重要的地位。一般的直流電源電路由以下四部分組成：電源變壓器，整流電路，濾波電路，和穩(wěn)壓電路。10.3.3直流穩(wěn)壓電路直流穩(wěn)壓電路將不穩(wěn)定的直流電壓變換成穩(wěn)定且可調的直流電壓的電路稱為直流穩(wěn)壓電路。直流穩(wěn)壓電路按調整器件的工作狀態(tài)可分為線性穩(wěn)壓電路和開關穩(wěn)壓電路兩大類。前者使用起來簡單易行，但轉換效率低，體積大；后者體積小，轉換效率高，但控制電路較復雜。隨著自關斷電力電子器件和電力集成電路的迅速發(fā)展，開關電源已得到越來越廣泛的應用。1.串聯(lián)型穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路電路的組成及各部分的作用（1）取樣環(huán)節(jié)。由R1、RP、R2組成的分壓電路構成，它將輸出電壓Uo分出一部分作為取樣電壓UF，送到比較放大環(huán)節(jié)。（2）基準電壓。由穩(wěn)壓二極管DZ和電阻R3構成的穩(wěn)壓電路組成，它為電路提供一個穩(wěn)定的基準電壓UZ，作為調整、比較的標準。（3）比較放大環(huán)節(jié)。由V2和R4構成的直流放大器組成，其作用是將取樣電壓UF與基準電壓UZ之差放大后去控制調整管V1。（4）調整環(huán)節(jié)。由工作在線性放大區(qū)的功率管Vl組成，Vl的基極電流IB1受比較放大電路輸出的控制，它的改變又可使集電極電流IC1和集、射電壓UCEl改變，從而達到自動調整穩(wěn)定輸出電壓的目的。采用集成運算放大器的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路采用集成運算放大器的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路其電路組成部分、工作原理及輸出電壓的計算與前述電路完全相同，唯一不同之處是放大環(huán)節(jié)采用集成運算放大器而不是晶體管。4.集成穩(wěn)壓器集成穩(wěn)壓器集成穩(wěn)壓電路是將穩(wěn)壓電路的主要元件甚至全部元件制作在一塊硅基片上的集成電路，因而具有體積小、使用方便、工作可靠等特點。集成穩(wěn)壓器的種類很多，作為小功率的直流穩(wěn)壓電源，應用最為普遍的是3端式串聯(lián)型集成穩(wěn)壓器。3端式是指穩(wěn)壓器僅有輸入端、輸出端和公共端3個接線端子。如W78和W79系列穩(wěn)壓器。W78系列輸出正電壓有5V、6V、8V、9V、10V、12V、15V、18V、24V等多種，若要獲得負輸出電壓選W79系列即可。例如W7805輸出+5V電壓，W7905則輸出5V電壓。這類端穩(wěn)壓器在加裝散熱器的情況下，輸出電流可達1.52.2A，最高輸入電壓為35V，最小輸入、輸出電壓差為23V，輸出電壓變化率為0.10.2。5.外形和管腳排列外形和管腳排列如圖為W78*和W79*系列集成穩(wěn)壓器基本應用電路，經過整流，濾波后未經穩(wěn)壓的直流電壓Ui加到穩(wěn)壓器的輸入端和公共端之間，在輸出端和公共端之間取得穩(wěn)定的直流電壓。輸入端接入的電容Ci的作用是防止自激振蕩，一般取值0.33uF，輸出端接入的電容Co的作用是改善輸出特性，典型取值約為1uF，為了能讓穩(wěn)壓器正常工作，其輸入電壓Ui應至少比輸出電壓Uo高23V。10.4汽車照明專用汽車照明專用LED驅動器驅動器汽車制造商越來越多地利用最新固態(tài)LED照明技術提高車型的美感和性能，將這些更輕、更小和更可靠的器件用于內部和外部照明。與用作內部照明的白熾燈和用作前燈及剎車燈的HID燈以及鹵素燈相比，大功率LED的優(yōu)勢越來越多，例如，可降低長期成本并具有更長的壽命等。每種汽車LED應用采用哪種DC/DC轉換器集成電路及拓撲由以下因素決定：a、拓撲LED電壓與電池電壓范圍之間的關系決定采用降壓、升壓還是降壓升壓型拓撲，所采用的拓撲必須能在整個電池電壓范圍內控制LED電流，使其保持恒定。b、調光大比例LED調光必須在所有亮度等級上保持顏色特性不變，并避免眼睛可看出的波動或振蕩。c、效率在驅動高亮度（HB）LED時，DC/DC轉換器的高效率工作和低功耗是關鍵要求，因為功率損耗在不工作期間會導致電池電量的消耗，而在工作期間，功率損耗會轉化成熱量，給散熱壓力很大的汽車環(huán)境造成更大壓力。1.驅動單個驅動單個LED具250:1PWM調光比的LT3474高壓降壓型1ALED驅動器如圖是一個具有調光功能的單個LED內部照明電路。單個LT3474LED降壓型穩(wěn)壓器的效率在12VIN、LED電流高于200mA時高于80%降壓型LT3474驅動單個或多個LED對比圖降壓型LT3474以高效率驅動單個或多個LED2.PWM調光和亮度控制調光和亮度控制圖中的LED亮度可以在LT3474上控制,將一個模擬電壓輸入到VADJ引腳,或將一個數(shù)字PWM信號接到PWM調光MOSFET的柵極和PWM引腳上即可。模擬亮度控制通過降低內部檢測電阻電壓將恒定LED電流從1A降至更低的值。這種降低LED亮度的方法確實簡單易行,但是在更低電流時LED電流的準確度卻降低了,而且LED光線的顏色也會變化。另一種降低LED亮度的方法是數(shù)字PWM調光。當在1A恒定電流上對單個白光LED調光時,與LED串聯(lián)的PWM.當PWM接通期間LED和PWMMOSFET接通時,可以非常好地對電流進行調節(jié)。在PWM斷開期間,電流為零。這樣,任何LED的顏色和真彩特性都可以保持不變,同時降低了亮度。LT3474PWM調光LED電流波形LT3474PWM調光LED電流波形LT3474LED電流與VADJ引腳電壓3.信號指示燈、尾燈和前燈照明信號指示燈、尾燈和前燈照明外部信號指示燈、尾燈和前燈需要功率最大的DC/DCLED驅動器,因為它們使用的LED最亮,數(shù)量也最多。盡管由于熱量和穩(wěn)流限制,極亮的LED前燈尚不常見,但是紅色和黃褐色的剎車燈和信號指示燈卻由于其卓越的美感和耐用性而越來越普遍。驅動大功率黃褐色和紅色LED串對內部照明和照明微調帶來了類似的挑戰(zhàn),但挑戰(zhàn)的艱巨性是不同的。一般情況下,高調光比不是必需的,但是簡單的接通/斷開和高/低亮度功能卻很有用。大功率LED串的電壓通常超出了汽車電池的電壓范圍,因此需要一個同時具有升壓和降壓能力的LED驅動器。降壓升壓型LED驅動器降壓升壓型LT3477以80%的效率驅動剎車燈和信號指示燈1ALED串大功率LED驅動器LTC3783用于8x1.5A紅光LED的LTC3783剎車燈LED驅動器LTC3783大功率LED驅動器的使用非常靈活,它也可以用作大功率升壓型穩(wěn)壓器,將LED串連接到地而不是VIN,就變成了升壓型拓撲,這可以驅動高達60W的更高電壓LED串。在這種情況下,LED串的電壓要求高于36V的最高電池電壓,而且在車燈關閉時,LED的斷接是通過PWM引腳完成的。采用非常亮的白光LED高流明前燈應用很快就會采用這種大功率LED的升壓型拓撲驅動方式。有很多不同的汽車LED應用需要專用大功率、但簡單和高效的LED驅動器。根據(jù)應用的不同有不同的LED組合,但是各種組合都需要在斷開時電流消耗低、高PWM和模擬調光比以及卓越的LED穩(wěn)流性能。凌特公司提供各種不同的汽車LED驅動器以克服所有這些挑戰(zhàn)。