開關(guān)電源功率開關(guān)管的選擇

開關(guān)電源分析

我們在設(shè)計開關(guān)電源時，不管使用的是哪種拓撲結(jié)構(gòu)，只要電源線路采用的是脈寬調(diào)制器PWM構(gòu)成開關(guān)電源時，我們一定會選擇功率開關(guān)管進行搭配。
  在我們的開關(guān)電源領(lǐng)域中，常見的功率開關(guān)管有三種：一是雙極型功率開關(guān)管(BJT)；二是半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)；三是絕緣柵一雙極型晶體管(IGBT)。
  選擇開關(guān)電源的功率開關(guān)管時，我們要注意其導(dǎo)通壓降(或通態(tài)電阻)和開關(guān)速度；功率開關(guān)管的導(dǎo)通壓降和開關(guān)速度與額定電壓有關(guān)，額定電壓越高，導(dǎo)通壓降越大，開關(guān)速度越慢。因此，在滿足額定電壓為實際工作電壓1.2~1.5倍的條件下，應(yīng)盡量選擇低壓功率開關(guān)管。
  雙極型功率開關(guān)管(BJT)是具有開關(guān)特性和功率輸出能力的雙極、結(jié)型晶體管;由于有兩種載流子(電子與空穴)流過晶體管， 故稱之為雙極型，這與僅有一種載流子的場效應(yīng)管不同。雙極型功率管屬于電流驅(qū)動型功率器件，常用的耐壓值在1kV以下，工作電流從幾安培到幾百安培；主要優(yōu)點是價格便宜；而缺點是電流放大系數(shù)低，驅(qū)動電流較大，開關(guān)頻率低(幾十千赫以下)，所以比較適合中、小功率的開關(guān)電源。
  我們在使用雙極型功率開關(guān)管時要注意：雙極型功率開關(guān)管有一個以集電極最大電流、集電極最大允許功耗、二次擊穿電流和集電極-發(fā)射極擊穿電壓為邊界的安全工作區(qū)。無論在瞬態(tài)還是穩(wěn)態(tài)下，晶體管的工作電流和工作電壓都不得超出安全工作區(qū)范圍。此外，安全工作區(qū)的邊界值還與環(huán)境溫度、脈沖寬度等參數(shù)有關(guān)。當環(huán)境溫度升高時，安全工作區(qū)也應(yīng)降額使用；雙極型功率開關(guān)管的電流放大系數(shù)值較低，其最小值一般為5~10倍；環(huán)境溫度每升高10℃,集電極漏電流就增加一倍，這會引起關(guān)斷損耗；為降低功率開關(guān)管的導(dǎo)通損耗，它在導(dǎo)通時一般處于過飽和狀態(tài)，這勢必增加 了存儲時間，降低開關(guān)速度。為減少存儲時間，所以需要在功率開關(guān)管關(guān)斷時給發(fā)射結(jié)加反向電壓，但反向電壓過大，發(fā)射結(jié)將被反向擊穿；為了避免擊穿電流過大，我們可采用電阻來限制反向電流不致過大；為了快速關(guān)斷功率開關(guān)管，可采用抗飽和電路。
  MOSFET屬于絕緣柵型場效應(yīng)管；其主要特點是在金屬柵極與溝道之間有一層二氧化硅絕緣層，因此具有很高的輸入電阻(最高可達10^15Ω)；我們依據(jù)開關(guān)管導(dǎo)通方式劃分，可分N溝道管和P溝道管兩種類型；根據(jù)導(dǎo)電方式的不同，MOSFET又分增強型、耗盡型兩種。所謂增強型是指當Ugs=0時,開關(guān)管子呈截止狀態(tài)，加上正確的Ugs(對N溝道管要求Ugs>0;對P溝道管則要求Ugs
  我們通常使用到的MOSFET功率開關(guān)管一般采用N溝道管，因為在同樣況下N溝道管的通態(tài)電阻要比P溝道管小，且開關(guān)速度比N溝管快。由于MOSFET 的源極和漏極結(jié)構(gòu)是對稱的，因此使用時互換。對N溝道管而言，只要在柵極和源極(漏極)之間加上電壓就能雙向?qū)�通。因此MOSFET可用作同步整流。MOSFET功率開關(guān)管的工作電流從幾安培到幾百安培，輸出功率從幾十瓦到幾千瓦，開關(guān)頻率可達幾百千赫至1MHz以上。
  絕緣柵雙極晶體管（IGBT）綜合了電力晶體管（GTR）和電力場效應(yīng)晶體管（MOSFET）的優(yōu)點，具有良好的特性；IGBT也是三端器件：柵極，集電極和發(fā)射極。IGBT是MOS結(jié)構(gòu)雙極器件，屬于具有功率MOSFET的高速性能與雙極的低電阻性能的功率器件。IGBT的應(yīng)用范圍一般都在耐壓600V以上、電流10A以上、頻率為1kHz以上的區(qū)域。
  IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示：


  當柵極G施加正電壓時，MOSFET的柵極產(chǎn)生電場，吸引電子到P型硅的表面，形成N溝道。這個電場導(dǎo)致PNP晶體管的B-E結(jié)正向偏置，使得電子可以從發(fā)射極流入集電極，形成導(dǎo)電通道。隨著柵極電壓的增加，導(dǎo)電通道變寬，電流也隨之增加；當柵極電壓降低到零或負值時，MOSFET的電場消失，導(dǎo)電通道逐漸消失，電流也隨之減少。最終，當柵極電壓足夠低時，IGBT完全關(guān)閉，電流為零。