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開(kāi)關(guān)電源雙極性開(kāi)關(guān)管的實(shí)現方案
文章來(lái)源: 更新時(shí)間:2013/5/18 10:50:00
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所謂雙極性,是指有兩個(gè)PN結的普通開(kāi)關(guān)三極管,在“彩顯”中一般作為開(kāi)關(guān)電源、行輸出級和S校正電路的切換開(kāi)關(guān)。三極管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和模擬放大狀態(tài)的要求明顯不同,對開(kāi)關(guān)特性的描述也不是通常的fT、fa所能概括的。

在開(kāi)關(guān)電源中,是通過(guò)三極管開(kāi)與關(guān)的時(shí)間比(即占空比)穩定輸出電壓的。在這里,三極管被當作開(kāi)關(guān)使用,利用三極管的放大作用,通過(guò)極小的基極電流控制集電極電流。當集電極電流飽和時(shí),認為開(kāi)關(guān)已接通,而集電極電流截止時(shí),則認為開(kāi)關(guān)已斷開(kāi)。

但是,三極管的開(kāi)/關(guān)并非處于理想狀態(tài),導通時(shí)尚有其飽和壓降VCES,斷開(kāi)時(shí)其IC≠0,而具有一定的ICEO。與理想開(kāi)關(guān)相比,晶體管作為開(kāi)關(guān)并非完全隨基極控制電流同時(shí)進(jìn)行開(kāi)/關(guān),其中存在一定的過(guò)程。

為了研究三極管開(kāi)/關(guān)此瞬間過(guò)程,首先對開(kāi)/關(guān)的相對值作一規定,即當集電極電流達到其最大飽和電流90%時(shí),認定它已接通,而集電極電流下降為I。的10%時(shí),認為它已經(jīng)斷開(kāi)。按此標準計量,三極管開(kāi)/關(guān)過(guò)程所需時(shí)間作為衡量三極管的開(kāi)關(guān)特性的比較標準。

晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)和工作在線(xiàn)性放大狀態(tài)有完全不同的要求。放大狀態(tài)要求三極管的Ic應該完全受控于IB,且兩者有穩定的線(xiàn)性關(guān)系,包括放大后的模擬波形和輸入波形有完全相同的包絡(luò )線(xiàn)。開(kāi)關(guān)狀態(tài)則要求三極管的基極電流達到Icm/hfe,其集電極電流立即上升到Icm,不應有過(guò)渡過(guò)程。但實(shí)際上這是不可能的,因為三極管是利用其放大特性工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)的。

任何三極管其IC-IB特性均為與x軸有一夾角的斜線(xiàn),該斜線(xiàn)的斜率(即夾角)永遠不會(huì )垂直于X軸(即hfe不會(huì )無(wú)窮大),那么,Ir控制Ic由零增長(cháng)到Icm也必然要符合斜線(xiàn)的規律才能達到,因而通/斷都需一定的時(shí)間。

除此而外,雙極性晶體管基本放大原理也使開(kāi)關(guān)動(dòng)作需一定的時(shí)間。晶體管處于放大狀態(tài),常用最高截止頻率(fT)和共基極放大狀態(tài)最高頻率(fa)表示晶體管可工作的頻率范圍。但是,fT、fa并不能確切的表示晶體管的開(kāi)關(guān)特性,雖然fT、fa越高,三極管的開(kāi)關(guān)特性也越好,但有的晶體管fr、fa相同,其開(kāi)關(guān)特性卻不盡相同。因此,三極管的開(kāi)關(guān)特性常用開(kāi)關(guān)的導通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff來(lái)表示。

導通時(shí)間是指,當基極驅動(dòng)脈沖加入后,集電極電流由零達到飽和值90%所占用的時(shí)間。為了排除驅動(dòng)電流的影響,假設加到基極一發(fā)射極之間的控制電流為理想的矩形波,見(jiàn)下圖所示。在基極電流以垂直于X軸的特性上升時(shí),集電極電流Ic并不隨之升高,而是有一延遲時(shí)間t。,在此時(shí)間內lc呈緩慢曲線(xiàn)上升到Icm的10%。產(chǎn)生延遲時(shí)間的原因是:三極管在截止狀態(tài)時(shí),基區基本無(wú)自由電子,當控制電壓突然升高時(shí),欲使發(fā)射結達到VB≥+0.6V,輸入電流必須不斷地給發(fā)射結電容充電,以降低PN結的內部電場(chǎng),然后再向基區發(fā)射電子,因而需經(jīng)過(guò)一段時(shí)間(ta)。ta正比于發(fā)射結電容,反比于發(fā)射結的面積。開(kāi)關(guān)管功率越大,必然發(fā)射結面積相應增大,欲要減小t。就越加困難。

發(fā)射結的充電速度,不僅與輸入驅動(dòng)脈沖的內阻有關(guān),而且與三極管的截止有關(guān)。如果三極管處于深度截止(即反向偏置過(guò)大),ta也越慢。當Ic達到10%的Icm時(shí),在驅動(dòng)脈沖的作用下,Ic隨IB呈線(xiàn)性增長(cháng)。

其增長(cháng)速度即從Ic由10%到90%曲線(xiàn)的斜率等于該管的hfe。

前面已提到,此段曲線(xiàn)不可能是垂直線(xiàn),因而形成上升時(shí)間tr。很明顯,三極管的hfe越大,Tr越短。經(jīng)過(guò)延遲時(shí)間與上升時(shí)間之后,三極管Ic=90%的Icm才認為其已經(jīng)導通,開(kāi)關(guān)閉合,因此導通時(shí)間為ta+tr。當驅動(dòng)脈沖回落至零時(shí),開(kāi)關(guān)的關(guān)斷同樣需要一定的時(shí)間。

當開(kāi)關(guān)管飽和時(shí),基區必然積累較多的電荷,集電結形成空穴積累,飽和過(guò)程中必然出現IB>IC/hFE,這是使三極管進(jìn)入飽和區的可靠保證。但如果IB遠大于IC/hFE,即處于過(guò)飽和狀態(tài)(或稱(chēng)深度飽和狀態(tài)),基區存儲電荷越多,集電結空穴積累越嚴重,當驅動(dòng)脈沖截止時(shí),存儲電荷的消散時(shí)間也越長(cháng),因而在驅動(dòng)脈沖截止后,將Ic由90%降低為10%的時(shí)間稱(chēng)為存儲時(shí)間ts。從三極管結構來(lái)說(shuō),基區和集電區越薄,存儲電荷量就越小,tr也就越小。經(jīng)過(guò)ts之后,三極管隨存儲時(shí)間基區正偏逐漸消失,Ic隨之下降,形成下降時(shí)間tf。

存儲時(shí)間ta+tf,即構成開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)間。導通時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間首先取決于三極管的結構和工藝,其次才是設計合理的開(kāi)關(guān)驅動(dòng)電路。

導通時(shí)間和截止時(shí)間構成開(kāi)關(guān)管的導通損耗和截止損耗。因為在此時(shí)間內,三極管處于放大區,其管壓降必然增大,功耗隨之增加。與此相同的原理,二極管也有導通/截止時(shí)間,不過(guò),在開(kāi)關(guān)電源中,影響最大的是二極管的反向恢復時(shí)間。當二極管導通后,外加脈沖降為零,二極管并不會(huì )立即截止,恢復到截止需一定時(shí)間(與上述相同的原因)。當工作頻率升高時(shí),正向脈沖過(guò)后二極管不能及時(shí)恢復,其單向導電性則使電路處于短路狀態(tài)。二極管的恢復時(shí)間除取決于PN結、N電容以外,還與工藝結構有關(guān),因此有普通工頻整流二極管、快恢復二極管、肖特基二極管之分。

普通工頻整流二極管正向壓降范圍為1~2V,隨耐壓升高有不同程度的增大。目前其最高反壓可作到5kV以上,最大整流電流達到kA以上。所謂工頻,不單指頻率,還指其波形是正弦波,其反向恢復時(shí)間比較慢,因此,此類(lèi)二極管不適直用在方波逆變器中作整流和阻尼。在開(kāi)關(guān)電源中,也只能用于交流電源整流。

快恢復二極管,指反向恢復時(shí)間在50~200ns范圍內,可用于100kHz。以下的開(kāi)關(guān)脈沖的整流、箝位及開(kāi)關(guān)管的阻尼電路等?旎謴投䴓O管的參數與生產(chǎn)工藝有關(guān),反向恢復時(shí)間最快的屬外延法生產(chǎn)的二極管.一般手冊中所列最高反壓為其擊穿電壓的80%,選用時(shí)需注意留有適當的余量。

肖特基二極管SBD為多數載流子單向導電器件,其開(kāi)關(guān)時(shí)間極短,一般為50~100ns。其最大特點(diǎn)是:

正向壓降理論上為0.3~0.5V,額定電流不超出0.6~0.8V,比PN結二極管的最大正向壓降1~1.2V低近一倍,因此作低壓大電流脈沖整流十分有利。但肖特基二極管反向電壓較低,大多為40V以下,只有極少數產(chǎn)品能達到100V。一股用于低壓輸出開(kāi)關(guān)電源中和大電流低電壓的脈沖整流電路中。

 
 
 
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