彩电开关电源主要器件及其特性.docx
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彩电开关电源主要器件及其特性
彩电开关电源主要器件及其特性
（一）
开关器件有许多种类，如双极型晶体管BJT、快速晶闸管SCR、可关断GTO晶闸管、场效应晶体管MOSFET和绝缘栅双极型晶体管IGBT 等。
其中，经常使用的是MOSFET 和IGBT，在小功率变换器上也延续使用BJT。
开关器件特性及其驱动是开关变换器的关键技术问题。
开关管的损耗与B极的驱动电压、电流的波形有直接的关系。
尽管双极型晶体管和场效应晶体管都统称为晶体管，但控制方法却有很大差异。
例如：
双极型晶体管的自激振荡电路不能直接移植至功率场效应晶体管的电路上。
另外，使用场效应晶体管时，一般认为栅源回路阻抗高，但在高频开关电源中，输入极间电容不能忽略；在开关速度上，必须同时考虑所并联的反向二极管的反向恢复时间，所以开关频率的提高受到一定的限制。
在开关速度达到一定值时，还要考虑开关电流是否会对驱动电路产生噪声干扰等。
在离线变换器中，首先要关注的是晶体管关断电压；其次是导通电流。
这些参数都取决于变换器类型、功率和可靠性等。
一、双极型晶体管
1.双极型晶体管导通或截止状态
双极型晶体管基本上是个电流控制器件，即加入变动的B极电流△IB，产生变动的C极电流△IC，共射极电流放大倍数β为：
β=△IC/△IB。
双极型晶体管工作原理，这里不作赘述。
只考虑在实际的开关应用中，晶体管处于饱和导通或截止两种状态。
为了加快退出饱和，以利提高开关频率，常加控制环节使开关导通工作时在准饱和状态，准饱和是指在深饱和与线性区之间的一个区域，对应IC-VCE输出特性曲线开始弯曲部分。
在准饱和区，电流增益开始下降，但保持着E结正偏、C结反偏的状态。
这比把深度饱和导通的晶体管（C结已处于正偏状态）转为关断状态要容易得多，快得多。
2.驱动电路
（1）一般B极驱动电路B极驱电路要注意隔离和保护的问题，并使驱动电流波形为最佳。
B极驱动电流波形大致如图l所示。
为了加快开通和降低开通损耗，波形的前沿要陡，在一定时间内有2～3倍额定驱动电流，然后降低到额定电流，以维持准饱和导通状态关断时，反向B极电流IB2可以大一些以便加速抽走B极存储的过剩载流子，缩短存储时间tstg和管压降上升时间tf。
反向的基极电流斜率有人认为越快越好，也有人认为不要太快，以利慢恢复。
其中，①延迟时间td：
从有B极驱动电流开始到VCE降到其初始值的90％之间的时间间隔；②管压降下降时间tr：
VCE从其初始值的90％降到10％的时间间隔；③存储时间tstg：
从B极电流Ib2反向时刻开始到VCE为其关断终止值的10％的时间间隔；④管压降上升时间tf：
VCE从其关断值的10％上升到90％之间的时间间隔。
常把td+tr称开通时间，tstg+tf称为关断时间。
图1B极驱动电流波形图
（2）比例B极驱动电路B极驱动电路有个缺点，即当C极工作电流减小时，晶体管存储时间不能显着、有效地减少，这是因为晶体管放大系数β是变化的。
使用比例的B极驱动电路，可以控制IB值，使晶体管在所有C极电流下保持准饱和状态。
因此，这一驱动方法使小C极电流工作时，使B极电流成正比例减小，这样，比固定的B极驱动电流法（轻载时管子进入过饱和状态）要缩短些存储时间。
图2示出了一个实际比例的基极驱动电路。
图2实用的比例基极驱动电路图
3.双极型晶体管的保护电路
（1）双极型功率晶体管的过电流保护。
目前双极型晶体管的过电流保护有三种方法，即状态识别保护法、桥臂互锁保护法和LEM模块识别法。
①状态识别保护法
当双极型晶体管处于过载或短路故障状态时，随着C极电流IC的剧烈增加，其B极电压VBE和C极电压VCE均发生相应变化，因此可监测B极电压VBE或C极电压VCE，与预定的基准电压进行比较后，即可发出命令切除双极型晶体管的驱动信号。
图3是B极电压VBE的识别电路实例。
VT1的B极电压VBE与基准值电压VR通过比较器进行比较，正常工作条件下，VBE低于VR，比较器输出低电平保证驱动管VT2导通，一旦VBE高干VR时，比较器输出高电平驱动管VT2截止，切除VT1的驱动信号，关断已过电流的VT1。
图4是C极电压VCE识别电路。
其原理与VBE识别电路类似。
图3B极电压VBE的识别电路图
图4C极电压VCE识别电路图
②桥臂互锁保护法
桥臂互锁就是保证任何时刻只有一只双极型晶体管（VTA或VTB防止两管同时导通造成直接短路。
这种互锁保护电路是用与门逻辑判断来实现，其原理如图5所示。
图中上桥臂VTA的B极驱动电路受下臂零电流互锁信号控制，而下桥臂VTB的B极驱动电路又受上桥臂的零电流互锁信号控制，这样就达到上述目的。
图5桥臂互锁保护电路原理图
③LEM模块保护法
LEM模块是一种磁场平衡式霍尔电流传感器。
LEM模块的电路示意图如图6所示。
图6LEM模块电路图
任意时刻二次电流的安匝数都与一次电流的安匝数一模一样，只要测得二次绕组的小电流，就可知道一次侧的大电流。
既可测直流，又可测交流，还可测脉冲电流。
不但响应速度快，而且与被测电路隔离。
因此，LEM模块成为快速过电流保护的理想器件。
（2）双极型晶体管的浪涌电压吸收电路
双极型晶体管的浪涌吸收有三种典型电路，即图7（a）所示的RC吸收电路；图7（b）所示的充/放电型RCD吸收电路；图7（c）所示的放电阻断型RCD吸收电路（图见下页）。
目前最常用的是放电阻断型RCD吸收电路。
（a）RC吸收电路（b）充/放电型RCD吸收电路（c）放电阻断型RCD吸收电路
图7典型的双极型晶体管的浪涌吸收电路图
二、场效应晶体管
1.场效应晶体管及其驱动电路
（1）场效应晶体管
场效应管（MOSFET）与双极型晶体管相比，具有如下优点：
①电压驱动，且驱动功率小；②是多数载流子工作器件，开关速度快，无“二次”击穿，热稳定性好。
因此，场效应管是一种适应开关电源小型化、高效率化和高可靠性要求的理想器件。
图8中，源极跨在两个半导体区上，N型管箭头向左，表示载流子电子从源极出发；P型管箭头向右表示载流子空穴从源极出发。
无论哪一型管子都是利用多数载流子导电（双极型晶体管是包含少数载流子导电的），不存在载流子导电和多余载流子复合表现出来的存储时间，因此，动作快，频率高，不存在二次击穿。
（a）N型场效应管（b）P型场效应管
图8场效应管的结构示图
在有限管子直接并联时，由于具有正温度系数，可以自动均衡电流（双极型晶体管则是具有负温度系数，所以并联要采取均流措施），不会产生过热点。
这些都是MOSFET（场效应管）管的优点。
使用MOSFET功率管比使用双极型晶体管可得到更多的好处。
特别当器件用在高频时（一般在100kHz或更高），MOSFET（场效应管）的突出优点更会显现出来。
（2）电路的基本形式
①直接驱动式
直接驱动又包括如下具体形式：
a.用TTL驱动MOSFET。
可按图9所示，用TTL驱动MOSFET。
另一种驱动MOSFET的方法是使用专用的集成化缓冲器。
图10中的DS0026，便是其中一例。
图9用TTL驱动MOSFET示图
图10用专用的集成化缓冲器驱动MOSFET示图
b.用CMOS电路驱动MOSFET。
由于MOSFET有很高的输入阻抗，所以可考虑用CMOS电路直接驱动其栅极，如图11所示。
图11用CMOS电路驱动MOSFET示图
c.用线性互补电路驱动MOSFET。
用线性运算放大器来直接驱动MOSFET，受限制的因素主要是运算放大器的回扫时间较长，因此，采用这种驱动方式的工作频率限于25kHz以下。
为了改善频带宽度和回扫速度稍慢的问题，可插入一个射极跟随器，如图12所示。
图12用线性互补电路驱动MOSFET示图
②耦合驱动式和混合式。
驱动共漏极MOS－FET的另一类电路是，利用变压器耦合，如图13所示。
图13用变压器耦合驱动共MOSFET示图
3.场效应晶体管的保护电路
（1）过电压保护电路
加到MOSFET上的浪涌电压有开关与其他MOSFET等部件产生的浪涌电压：
有MOSFET自身关断时产生的浪涌电压；有MOSFET内部二极管的反向恢复特性产生的浪涌电压等。
这些过电压会损坏元器件，因此要降低这些电压的影响。
过电压保护基本电路如图14所示。
其中图14（a）所示电路是用RC吸收浪涌电压的方式，图14（b）所示电路是再接一只二极管VD抑制浪涌电压，为防止浪涌电压的振荡，VD要采用高频开关二极管。
图14（c）所示电路是用稳压二极管钳位浪涌电压的方式，而图14（d）、图14（e）所示电路是MOSFET上如果加的浪涌电压超过规定值，就使MOSFET导通的方式。
图14（f）和图14（g）所示电路在逆变器电路中使用，在正负母线间接电容而吸引浪涌电压。
特别是图14（g）所示电路能吸收高于电源电压的浪涌电压，吸收电路的损耗小。
图14（h）所示电路是对于在感性负载（L）上并联二极管VD，能消除来自负载的浪涌电压。
图14（i）所示电路是栅极串联电阻RG，使栅极反向电压VCG选为最佳值，延迟关断时间而抑制浪涌电压的发生。
图14各种形式的过电压保护电路图
（2）过电流保护电路
MOSFET的过电流有两种情况，即负载短路与负载过大时产生的过电流。
过电流保护的基本电路如图15所示，由电流互感器（CT）检测过电流，从而切断MOSFET的栅极信号。
也可用电阻或霍尔元件替代CT。
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