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深度解析开关电源双极性晶体管的开关特性

2018-01-15 [责任编辑:lina]
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【导读】所谓双极性,是指有两个PN结的普通开关三极管,在“彩显”中一般作为开关电源、行输出级和S校正电路的切换开关。三极管的开关状态和模拟放大状态的要求明显不同,对开关特性的描述也不是通常的fT、fa所能概括的。


在开关电源中,是通过三极管开与关的时间比(即占空比)稳定输出电压的。在这里,三极管被当作开关使用,利用三极管的放大作用,通过极小的基极电流控制集电极电流。当集电极电流饱和时,认为开关已接通,而集电极电流截止时,则认为开关已断开。
 
 
但是,三极管的开/关并非处于理想状态,导通时尚有其饱和压降VCES,断开时其IC≠0,而具有一定的ICEO。与理想开关相比,晶体管作为开关并非完全随基极控制电流同时进行开/关,其中存在一定的过程。
 
为了研究三极管开/关此瞬间过程,首先对开/关的相对值作一规定,即当集电极电流达到其最大饱和电流90%时,认定它已接通,而集电极电流下降为I。的10%时,认为它已经断开。按此标准计量,三极管开/关过程所需时间作为衡量三极管的开关特性的比较标准。
 
 
晶体管工作在开关状态和工作在线性放大状态有完全不同的要求。放大状态要求三极管的Ic应该完全受控于IB,且两者有稳定的线性关系,包括放大后的模拟波形和输入波形有完全相同的包络线。开关状态则要求三极管的基极电流达到Icm/hfe,其集电极电流立即上升到Icm,不应有过渡过程。但实际上这是不可能的,因为三极管是利用其放大特性工作于开关状态的。
 
任何三极管其IC-IB特性均为与x轴有一夹角的斜线,该斜线的斜率(即夹角)永远不会垂直于X轴(即hfe不会无穷大),那么,Ir控制Ic由零增长到Icm也必然要符合斜线的规律才能达到,因而通/断都需一定的时间。
 
除此而外,双极性晶体管基本放大原理也使开关动作需一定的时间。晶体管处于放大状态,常用最高截止频率(fT)和共基极放大状态最高频率(fa)表示晶体管可工作的频率范围。但是,fT、fa并不能确切的表示晶体管的开关特性,虽然fT、fa越高,三极管的开关特性也越好,但有的晶体管fr、fa相同,其开关特性却不尽相同。因此,三极管的开关特性常用开关的导通时间ton和关断时间toff来表示。
 
导通时间是指,当基极驱动脉冲加入后,集电极电流由零达到饱和值90%所占用的时间。为了排除驱动电流的影响,假设加到基极一发射极之间的控制电流为理想的矩形波,见下图所示。在基极电流以垂直于X轴的特性上升时,集电极电流Ic并不随之升高,而是有一延迟时间t。,在此时间内lc呈缓慢曲线上升到Icm的10%。产生延迟时间的原因是:三极管在截止状态时,基区基本无自由电子,当控制电压突然升高时,欲使发射结达到VB≥+0.6V,输入电流必须不断地给发射结电容充电,以降低PN结的内部电场,然后再向基区发射电子,因而需经过一段时间(ta)。ta正比于发射结电容,反比于发射结的面积。开关管功率越大,必然发射结面积相应增大,欲要减小t,就越加困难。
 
发射结的充电速度,不仅与输入驱动脉冲的内阻有关,而且与三极管的截止有关。如果三极管处于深度截止(即反向偏置过大),ta也越慢。当Ic达到10%的Icm时,在驱动脉冲的作用下,Ic随IB呈线性增长。其增长速度即从Ic由10%到90%曲线的斜率等于该管的hfe。
 
前面已提到,此段曲线不可能是垂直线,因而形成上升时间tr。很明显,三极管的hfe越大,Tr越短。经过延迟时间与上升时间之后,三极管Ic=90%的Icm才认为其已经导通,开关闭合,因此导通时间为ta+tr。当驱动脉冲回落至零时,开关的关断同样需要一定的时间。
 
当开关管饱和时,基区必然积累较多的电荷,集电结形成空穴积累,饱和过程中必然出现IB>IC/hFE,这是使三极管进入饱和区的可靠保证。但如果IB远大于IC/hFE,即处于过饱和状态(或称深度饱和状态),基区存储电荷越多,集电结空穴积累越严重,当驱动脉冲截止时,存储电荷的消散时间也越长,因而在驱动脉冲截止后,将Ic由90%降低为10%的时间称为存储时间ts。从三极管结构来说,基区和集电区越薄,存储电荷量就越小,tr也就越小。经过ts之后,三极管随存储时间基区正偏逐渐消失,Ic随之下降,形成下降时间tf。
 
 
存储时间ta+tf,即构成开关管关断时间。导通时间与关断时间首先取决于三极管的结构和工艺,其次才是设计合理的开关驱动电路。
 
导通时间和截止时间构成开关管的导通损耗和截止损耗。因为在此时间内,三极管处于放大区,其管压降必然增大,功耗随之增加。与此相同的原理,二极管也有导通/截止时间,不过,在开关电源中,影响最大的是二极管的反向恢复时间。当二极管导通后,外加脉冲降为零,二极管并不会立即截止,恢复到截止需一定时间(与上述相同的原因)。当工作频率升高时,正向脉冲过后二极管不能及时恢复,其单向导电性则使电路处于短路状态。二极管的恢复时间除取决于PN结、N电容以外,还与工艺结构有关,因此有普通工频整流二极管、快恢复二极管、肖特基二极管之分。
 
普通工频整流二极管正向压降范围为1~2V,随耐压升高有不同程度的增大。目前其最高反压可作到5kV以上,最大整流电流达到kA以上。所谓工频,不单指频率,还指其波形是正弦波,其反向恢复时间比较慢,因此,此类二极管不适直用在方波逆变器中作整流和阻尼。在开关电源中,也只能用于交流电源整流。
 
快恢复二极管,指反向恢复时间在50~200ns范围内,可用于100kHz。以下的开关脉冲的整流、箝位及开关管的阻尼电路等。快恢复二极管的参数与生产工艺有关,反向恢复时间最快的属外延法生产的二极管.一般手册中所列最高反压为其击穿电压的80%,选用时需注意留有适当的余量。
 
肖特基二极管SBD为多数载流子单向导电器件,其开关时间极短,一般为50~100ns。其最大特点是:
 
正向压降理论上为0.3~0.5V,额定电流不超出0.6~0.8V,比PN结二极管的最大正向压降1~1.2V低近一倍,因此作低压大电流脉冲整流十分有利。但肖特基二极管反向电压较低,大多为40V以下,只有极少数产品能达到100V。一股用于低压输出开关电源中和大电流低电压的脉冲整流电路中。




 

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关键字:开关电源 双极性 晶体管 
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