開關電源雙極性開關管的選擇
所謂雙極性，是指有兩個PN結的普通開關三極管，在“彩顯”中一般作為開關電源、行輸出級和S校正電路的切換開關。三極管的開關狀態(tài)和模擬放大狀態(tài)的要求明顯不同，對開關特性的描述也不是通常的fT、fa所能概括的。
在開關電源中，是通過三極管開與關的時間比（即占空比）穩(wěn)定輸出電壓的。在這里，三極管被當作開關使用，利用三極管的放大作用，通過極小的基極電流控制集電極電流。當集電極電流飽和時，認為開關已接通，而集電極電流截止時，則認為開關已斷開。
但是，三極管的開/關并非處于理想狀態(tài)，導通時尚有其飽和壓降VCES，斷開時其IC≠0，而具有一定的ICEO。與理想開關相比，晶體管作為開關并非完全隨基極控制電流同時進行開/關，其中存在一定的過程。
為了研究三極管開/關此瞬間過程，首先對開/關的相對值作一規(guī)定，即當集電極電流達到其最大飽和電流90%時，認定它已接通，而集電極電流下降為I。的10％時，認為它已經(jīng)斷開。按此標準計量，三極管開/關過程所需時間作為衡量三極管的開關特性的比較標準。
晶體管工作在開關狀態(tài)和工作在線性放大狀態(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(wěn)定的線性關系，包括放大后的模擬波形和輸入波形有完全相同的包絡線。開關狀態(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，不應有過渡過程。但實際上這是不可能的，因為三極管是利用其放大特性工作于開關狀態(tài)的。
任何三極管其IC-IB特性均為與x軸有一夾角的斜線，該斜線的斜率（即夾角）永遠不會垂直于X軸（即hfe不會無窮大），那么，Ir控制Ic由零增長到Icm也必然要符合斜線的規(guī)律才能達到，因而通/斷都需一定的時間。
除此而外，雙極性晶體管基本放大原理也使開關動作需一定的時間。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關特性，雖然fT、fa越高，三極管的開關特性也越好，但有的晶體管fr、fa相同，其開關特性卻不盡相同。因此，三極管的開關特性常用開關的導通時間ton和關斷時間toff來表示。
導通時間是指，當基極驅動脈沖加入后，集電極電流由零達到飽和值90%所占用的時間。為了排除驅動電流的影響，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，見下圖所示。在基極電流以垂直于X軸的特性上升時，集電極電流Ic并不隨之升高，而是有一延遲時間t。，在此時間內(nèi)lc呈緩慢曲線上升到Icm的10%。產(chǎn)生延遲時間的原因是：三極管在截止狀態(tài)時，基區(qū)基本無自由電子，當控制電壓突然升高時，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(nèi)部電場，然后再向基區(qū)發(fā)射電子，因而需經(jīng)過一段時間(ta)。ta正比于發(fā)射結電容，反比于發(fā)射結的面積。開關管功率越大，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，不僅與輸入驅動脈沖的內(nèi)阻有關，而且與三極管的截止有關。如果三極管處于深度截止（即反向偏置過大），ta也越慢。當Ic達到10%的Icm時，在驅動脈沖的作用下，Ic隨IB呈線性增長。
其增長速度即從Ic由10%到90%曲線的斜率等于該管的hfe。
前面已提到，此段曲線不可能是垂直線，因而形成上升時間tr。很明顯，三極管的hfe越大，Tr越短。經(jīng)過延遲時間與上升時間之后，三極管Ic=90%的Icm才認為其已經(jīng)導通，開關閉合，因此導通時間為ta+tr。當驅動脈沖回落至零時，開關的關斷同樣需要一定的時間。
當開關管飽和時，基區(qū)必然積累較多的電荷，集電結形成空穴積累，飽和過程中必然出現(xiàn)IB>IC/hFE,這是使三極管進入飽和區(qū)的可靠保證。但如果IB遠大于IC/hFE，即處于過飽和狀態(tài)（或稱深度飽和狀態(tài)），基區(qū)存儲電荷越多，集電結空穴積累越嚴重，當驅動脈沖截止時，存儲電荷的消散時間也越長，因而在驅動脈沖截止后，將Ic由90%降低為10%的時間稱為存儲時間ts。從三極管結構來說，基區(qū)和集電區(qū)越薄，存儲電荷量就越小，tr也就越小。經(jīng)過ts之后，三極管隨存儲時間基區(qū)正偏逐漸消失，Ic隨之下降，形成下降時間tf。
存儲時間ta+tf，即構成開關管關斷時間。導通時間與關斷時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關驅動電路。
導通時間和截止時間構成開關管的導通損耗和截止損耗。因為在此時間內(nèi)，三極管處于放大區(qū)，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／截止時間，不過，在開關電源中，影響最大的是二極管的反向恢復時間。當二極管導通后，外加脈沖降為零，二極管并不會立即截止，恢復到截止需一定時間（與上述相同的原因）。當工作頻率升高時，正向脈沖過后二極管不能及時恢復，其單向導電性則使電路處于短路狀態(tài)。二極管的恢復時間除取決于PN結、N電容以外，還與工藝結構有關，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，其反向恢復時間比較慢，因此，此類二極管不適直用在方波逆變器中作整流和阻尼。在開關電源中，也只能用于交流電源整流。
快恢復二極管，指反向恢復時間在50～200ns范圍內(nèi)，可用于100kHz。以下的開關脈沖的整流、箝位及開關管的阻尼電路等。快恢復二極管的參數(shù)與生產(chǎn)工藝有關，反向恢復時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%，選用時需注意留有適當?shù)挠嗔俊?BR>
肖特基二極管SBD為多數(shù)載流子單向導電器件，其開關時間極短，一般為50～100ns。其最大特點是：
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(shù)產(chǎn)品能達到100V。一股用于低壓輸出開關電源中和大電流低電壓的脈沖整流電路中。
在開關電源中，是通過三極管開與關的時間比（即占空比）穩(wěn)定輸出電壓的。在這里，三極管被當作開關使用，利用三極管的放大作用，通過極小的基極電流控制集電極電流。當集電極電流飽和時，認為開關已接通，而集電極電流截止時，則認為開關已斷開。
但是，三極管的開/關并非處于理想狀態(tài)，導通時尚有其飽和壓降VCES，斷開時其IC≠0，而具有一定的ICEO。與理想開關相比，晶體管作為開關并非完全隨基極控制電流同時進行開/關，其中存在一定的過程。
為了研究三極管開/關此瞬間過程，首先對開/關的相對值作一規(guī)定，即當集電極電流達到其最大飽和電流90%時，認定它已接通，而集電極電流下降為I。的10％時，認為它已經(jīng)斷開。按此標準計量，三極管開/關過程所需時間作為衡量三極管的開關特性的比較標準。
晶體管工作在開關狀態(tài)和工作在線性放大狀態(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(wěn)定的線性關系，包括放大后的模擬波形和輸入波形有完全相同的包絡線。開關狀態(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，不應有過渡過程。但實際上這是不可能的，因為三極管是利用其放大特性工作于開關狀態(tài)的。
任何三極管其IC-IB特性均為與x軸有一夾角的斜線，該斜線的斜率（即夾角）永遠不會垂直于X軸（即hfe不會無窮大），那么，Ir控制Ic由零增長到Icm也必然要符合斜線的規(guī)律才能達到，因而通/斷都需一定的時間。
除此而外，雙極性晶體管基本放大原理也使開關動作需一定的時間。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關特性，雖然fT、fa越高，三極管的開關特性也越好，但有的晶體管fr、fa相同，其開關特性卻不盡相同。因此，三極管的開關特性常用開關的導通時間ton和關斷時間toff來表示。
導通時間是指，當基極驅動脈沖加入后，集電極電流由零達到飽和值90%所占用的時間。為了排除驅動電流的影響，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，見下圖所示。在基極電流以垂直于X軸的特性上升時，集電極電流Ic并不隨之升高，而是有一延遲時間t。，在此時間內(nèi)lc呈緩慢曲線上升到Icm的10%。產(chǎn)生延遲時間的原因是：三極管在截止狀態(tài)時，基區(qū)基本無自由電子，當控制電壓突然升高時，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(nèi)部電場，然后再向基區(qū)發(fā)射電子，因而需經(jīng)過一段時間(ta)。ta正比于發(fā)射結電容，反比于發(fā)射結的面積。開關管功率越大，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，不僅與輸入驅動脈沖的內(nèi)阻有關，而且與三極管的截止有關。如果三極管處于深度截止（即反向偏置過大），ta也越慢。當Ic達到10%的Icm時，在驅動脈沖的作用下，Ic隨IB呈線性增長。
其增長速度即從Ic由10%到90%曲線的斜率等于該管的hfe。
前面已提到，此段曲線不可能是垂直線，因而形成上升時間tr。很明顯，三極管的hfe越大，Tr越短。經(jīng)過延遲時間與上升時間之后，三極管Ic=90%的Icm才認為其已經(jīng)導通，開關閉合，因此導通時間為ta+tr。當驅動脈沖回落至零時，開關的關斷同樣需要一定的時間。
當開關管飽和時，基區(qū)必然積累較多的電荷，集電結形成空穴積累，飽和過程中必然出現(xiàn)IB>IC/hFE,這是使三極管進入飽和區(qū)的可靠保證。但如果IB遠大于IC/hFE，即處于過飽和狀態(tài)（或稱深度飽和狀態(tài)），基區(qū)存儲電荷越多，集電結空穴積累越嚴重，當驅動脈沖截止時，存儲電荷的消散時間也越長，因而在驅動脈沖截止后，將Ic由90%降低為10%的時間稱為存儲時間ts。從三極管結構來說，基區(qū)和集電區(qū)越薄，存儲電荷量就越小，tr也就越小。經(jīng)過ts之后，三極管隨存儲時間基區(qū)正偏逐漸消失，Ic隨之下降，形成下降時間tf。
存儲時間ta+tf，即構成開關管關斷時間。導通時間與關斷時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關驅動電路。
導通時間和截止時間構成開關管的導通損耗和截止損耗。因為在此時間內(nèi)，三極管處于放大區(qū)，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／截止時間，不過，在開關電源中，影響最大的是二極管的反向恢復時間。當二極管導通后，外加脈沖降為零，二極管并不會立即截止，恢復到截止需一定時間（與上述相同的原因）。當工作頻率升高時，正向脈沖過后二極管不能及時恢復，其單向導電性則使電路處于短路狀態(tài)。二極管的恢復時間除取決于PN結、N電容以外，還與工藝結構有關，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，其反向恢復時間比較慢，因此，此類二極管不適直用在方波逆變器中作整流和阻尼。在開關電源中，也只能用于交流電源整流。
快恢復二極管，指反向恢復時間在50～200ns范圍內(nèi)，可用于100kHz。以下的開關脈沖的整流、箝位及開關管的阻尼電路等。快恢復二極管的參數(shù)與生產(chǎn)工藝有關，反向恢復時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%，選用時需注意留有適當?shù)挠嗔俊?BR>
肖特基二極管SBD為多數(shù)載流子單向導電器件，其開關時間極短，一般為50～100ns。其最大特點是：
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(shù)產(chǎn)品能達到100V。一股用于低壓輸出開關電源中和大電流低電壓的脈沖整流電路中。
| 【上一個】 開關電源設計中元器件選擇原則 | 【下一個】 明偉12V開關電源電路原理分析 |
| ^ 開關電源雙極性開關管的選擇 | ^ 開關電源雙極性開關管的選擇 |
| ^ 開關電源雙極性開關管的選擇 | ^ 開關電源雙極性開關管的選擇 |
| ^ 開關電源雙極性開關管的選擇 |