彩電開關(guān)電源主要器件及其特性

1、彩電開關(guān)電源主要器件及其特性（一）開關(guān)器件有許多種類，如雙極型晶體管BJT、快速晶閘管SCR、可關(guān)斷GTO 晶閘管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET和絕緣柵雙極型晶體管IGBT等。其中，經(jīng)常使用的是MOSFET和IGBT，在小功率變換器上也延續(xù)使用BJT。開關(guān)器件特性及其驅(qū)動(dòng)是開關(guān)變換器的關(guān)鍵技術(shù)問題。開關(guān)管的損耗與B 極的驅(qū)動(dòng)電壓、電流的波形有直接的關(guān)系。盡管雙極型晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管都統(tǒng)稱為晶體管，但控制方法卻有很大差異。例如：雙極型晶體管的自激振蕩電路不能直接移植至功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電路上。另外，使用場(chǎng)效應(yīng)晶體管時(shí)，一般認(rèn)為柵源回路阻抗高，但在高頻開關(guān)電源中，輸入極間電容不能忽略；在開關(guān)速度上，

2、必須同時(shí)考慮所并聯(lián)的反向二極管的反向恢復(fù)時(shí)間，所以開關(guān)頻率的提高受到一定的限制。在開關(guān)速度達(dá)到一定值時(shí)，還要考慮開關(guān)電流是否會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生噪聲干擾等。在離線變換器中，首先要關(guān)注的是晶體管關(guān)斷電壓；其次是導(dǎo)通電流。這些參數(shù)都取決于變換器類型、功率和可靠性等。一、雙極型晶體管1. 雙極型晶體管導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)雙極型晶體管基本上是個(gè)電流控制器件，即加入變動(dòng)的B 極電流IB，產(chǎn)生變動(dòng)的C 極電流IC，共射極電流放大倍數(shù)為：=IC/IB。雙極型晶體管工作原理，這里不作贅述。只考慮在實(shí)際的開關(guān)應(yīng)用中，晶體管處于飽和導(dǎo)通或截止兩種狀態(tài)。為了加快退出飽和，以利提高開關(guān)頻率，常加控制環(huán)節(jié)使開關(guān)導(dǎo)通工作時(shí)在準(zhǔn)飽和

3、狀態(tài)，準(zhǔn)飽和是指在深飽和與線性區(qū)之間的一個(gè)區(qū)域，對(duì)應(yīng)IC-VCE 輸出特性曲線開始彎曲部分。在準(zhǔn)飽和區(qū)，電流增益開始下降，但保持著E 結(jié)正偏、C 結(jié)反偏的狀態(tài)。這比把深度飽和導(dǎo)通的晶體管（C 結(jié)已處于正偏狀態(tài)）轉(zhuǎn)為關(guān)斷狀態(tài)要容易得多，快得多。2. 驅(qū)動(dòng)電路（1）一般B極驅(qū)動(dòng)電路B 極驅(qū)電路要注意隔離和保護(hù)的問題，并使驅(qū)動(dòng)電流波形為最佳。B 極驅(qū)動(dòng)電流波形大致如圖l 所示。為了加快開通和降低開通損耗，波形的前沿要陡，在一定時(shí)間內(nèi)有23 倍額定驅(qū)動(dòng)電流，然后降低到額定電流，以維持準(zhǔn)飽和導(dǎo)通狀態(tài)關(guān)斷時(shí)，反向B 極電流IB2 可以大一些以便加速抽走B 極存儲(chǔ)的過剩載流子，縮短存儲(chǔ)時(shí)間tstg 和管壓降

4、上升時(shí)間tf。反向的基極電流斜率有人認(rèn)為越快越好，也有人認(rèn)為不要太快，以利慢恢復(fù)。其中，延遲時(shí)間td：從有B 極驅(qū)動(dòng)電流開始到VCE 降到其初始值的90之間的時(shí)間間隔；管壓降下降時(shí)間tr：VCE 從其初始值的90降到10的時(shí)間間隔；存儲(chǔ)時(shí)間tstg：從B 極電流Ib2 反向時(shí)刻開始到VCE 為其關(guān)斷終止值的10的時(shí)間間隔；管壓降上升時(shí)間tf：VCE 從其關(guān)斷值的10上升到90之間的時(shí)間間隔。常把td+tr 稱開通時(shí)間，tstg+tf 稱為關(guān)斷時(shí)間。圖1 B極驅(qū)動(dòng)電流波形圖（2）比例B極驅(qū)動(dòng)電路B 極驅(qū)動(dòng)電路有個(gè)缺點(diǎn)，即當(dāng)C 極工作電流減小時(shí)，晶體管存儲(chǔ)時(shí)間不能顯著、有效地減少，這是因?yàn)榫w管放

5、大系數(shù)是變化的。使用比例的B 極驅(qū)動(dòng)電路，可以控制IB 值，使晶體管在所有C 極電流下保持準(zhǔn)飽和狀態(tài)。因此，這一驅(qū)動(dòng)方法使小C 極電流工作時(shí)，使B 極電流成正比例減小，這樣，比固定的B 極驅(qū)動(dòng)電流法（輕載時(shí)管子進(jìn)入過飽和狀態(tài)）要縮短些存儲(chǔ)時(shí)間。圖2 示出了一個(gè)實(shí)際比例的基極驅(qū)動(dòng)電路。圖2 實(shí)用的比例基極驅(qū)動(dòng)電路圖3. 雙極型晶體管的保護(hù)電路（1）雙極型功率晶體管的過電流保護(hù)。目前雙極型晶體管的過電流保護(hù)有三種方法，即狀態(tài)識(shí)別保護(hù)法、橋臂互鎖保護(hù)法和LEM 模塊識(shí)別法。狀態(tài)識(shí)別保護(hù)法當(dāng)雙極型晶體管處于過載或短路故障狀態(tài)時(shí)，隨著C 極電流IC 的劇烈增加，其B 極電壓VBE 和C 極電壓VCE 均

6、發(fā)生相應(yīng)變化，因此可監(jiān)測(cè)B 極電壓VBE 或C 極電壓VCE，與預(yù)定的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較后，即可發(fā)出命令切除雙極型晶體管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。圖3 是B 極電壓VBE 的識(shí)別電路實(shí)例。VT1 的B極電壓VBE 與基準(zhǔn)值電壓VR 通過比較器進(jìn)行比較，正常工作條件下，VBE 低于VR，比較器輸出低電平保證驅(qū)動(dòng)管VT2 導(dǎo)通，一旦VBE 高干VR 時(shí)，比較器輸出高電平驅(qū)動(dòng)管VT2 截止，切除VT1 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，關(guān)斷已過電流的VT1。圖4 是C 極電壓VCE 識(shí)別電路。其原理與VBE 識(shí)別電路類似。圖3 B極電壓VBE的識(shí)別電路圖圖4 C極電壓VCE識(shí)別電路圖橋臂互鎖保護(hù)法橋臂互鎖就是保證任何時(shí)刻只有一只雙極型晶

7、體管（VTA 或VTB 防止兩管同時(shí)導(dǎo)通造成直接短路。這種互鎖保護(hù)電路是用與門邏輯判斷來實(shí)現(xiàn)，其原理如圖5所示。圖中上橋臂VTA 的B 極驅(qū)動(dòng)電路受下臂零電流互鎖信號(hào)控制，而下橋臂VTB 的B 極驅(qū)動(dòng)電路又受上橋臂的零電流互鎖信號(hào)控制，這樣就達(dá)到上述目的。圖5 橋臂互鎖保護(hù)電路原理圖LEM 模塊保護(hù)法LEM 模塊是一種磁場(chǎng)平衡式霍爾電流傳感器。LEM 模塊的電路示意圖如圖6 所示。圖6 LEM模塊電路圖任意時(shí)刻二次電流的安匝數(shù)都與一次電流的安匝數(shù)一模一樣，只要測(cè)得二次繞組的小電流，就可知道一次側(cè)的大電流。既可測(cè)直流，又可測(cè)交流，還可測(cè)脈沖電流。不但響應(yīng)速度快，而且與被測(cè)電路隔離。因此，LEM

8、模塊成為快速過電流保護(hù)的理想器件。（2）雙極型晶體管的浪涌電壓吸收電路雙極型晶體管的浪涌吸收有三種典型電路，即圖7（a）所示的RC 吸收電路；圖7（b）所示的充/ 放電型RCD 吸收電路；圖7（c）所示的放電阻斷型RCD 吸收電路（圖見下頁）。目前最常用的是放電阻斷型RCD 吸收電路。（a）RC 吸收電路（b）充/ 放電型RCD 吸收電路（c）放電阻斷型RCD 吸收電路圖7 典型的雙極型晶體管的浪涌吸收電路圖二、場(chǎng)效應(yīng)晶體管1. 場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其驅(qū)動(dòng)電路（1）場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）與雙極型晶體管相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：電壓驅(qū)動(dòng)，且驅(qū)動(dòng)功率??；是多數(shù)載流子工作器件，開關(guān)速度快，無“二次

9、”擊穿，熱穩(wěn)定性好。因此，場(chǎng)效應(yīng)管是一種適應(yīng)開關(guān)電源小型化、高效率化和高可靠性要求的理想器件。圖8 中，源極跨在兩個(gè)半導(dǎo)體區(qū)上，N型管箭頭向左，表示載流子電子從源極出發(fā)；P 型管箭頭向右表示載流子空穴從源極出發(fā)。無論哪一型管子都是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電（雙極型晶體管是包含少數(shù)載流子導(dǎo)電的），不存在載流子導(dǎo)電和多余載流子復(fù)合表現(xiàn)出來的存儲(chǔ)時(shí)間，因此，動(dòng)作快，頻率高，不存在二次擊穿。(a)N 型場(chǎng)效應(yīng)管(b)P 型場(chǎng)效應(yīng)管圖8 場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示圖在有限管子直接并聯(lián)時(shí)，由于具有正溫度系數(shù)，可以自動(dòng)均衡電流（雙極型晶體管則是具有負(fù)溫度系數(shù)，所以并聯(lián)要采取均流措施），不會(huì)產(chǎn)生過熱點(diǎn)。這些都是MOSFET（場(chǎng)

10、效應(yīng)管）管的優(yōu)點(diǎn)。使用MOSFET功率管比使用雙極型晶體管可得到更多的好處。特別當(dāng)器件用在高頻時(shí)（一般在100 kHz 或更高），MOSFET（場(chǎng)效應(yīng)管）的突出優(yōu)點(diǎn)更會(huì)顯現(xiàn)出來。( 2) 電路的基本形式直接驅(qū)動(dòng)式直接驅(qū)動(dòng)又包括如下具體形式：a. 用TTL 驅(qū)動(dòng)MOSFET?？砂磮D9 所示，用TTL 驅(qū)動(dòng)MOSFET。另一種驅(qū)動(dòng)MOSFET 的方法是使用專用的集成化緩沖器。圖10 中的DS0026，便是其中一例。圖9 用TTL 驅(qū)動(dòng)MOSFET示圖圖10 用專用的集成化緩沖器驅(qū)動(dòng)MOSFET示圖b. 用CMOS電路驅(qū)動(dòng)MOSFET。由于MOSFET 有很高的輸入阻抗，所以可考慮用CMOS 電路直

11、接驅(qū)動(dòng)其柵極，如圖11 所示。圖11 用CMOS電路驅(qū)動(dòng)MOSFET示圖c. 用線性互補(bǔ)電路驅(qū)動(dòng)MOSFET。用線性運(yùn)算放大器來直接驅(qū)動(dòng)MOSFET，受限制的因素主要是運(yùn)算放大器的回掃時(shí)間較長(zhǎng)，因此，采用這種驅(qū)動(dòng)方式的工作頻率限于25 kHz 以下。為了改善頻帶寬度和回掃速度稍慢的問題，可插入一個(gè)射極跟隨器，如圖12 所示。圖12 用線性互補(bǔ)電路驅(qū)動(dòng)MOSFET示圖耦合驅(qū)動(dòng)式和混合式。驅(qū)動(dòng)共漏極MOSFET 的另一類電路是，利用變壓器耦合，如圖13 所示。圖13 用變壓器耦合驅(qū)動(dòng)共MOSFET示圖3. 場(chǎng)效應(yīng)晶體管的保護(hù)電路( 1）過電壓保護(hù)電路加到MOSFET 上的浪涌電壓有開關(guān)與其他MOS

12、FET 等部件產(chǎn)生的浪涌電壓：有MOSFET 自身關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的浪涌電壓；有MOSFET 內(nèi)部二極管的反向恢復(fù)特性產(chǎn)生的浪涌電壓等。這些過電壓會(huì)損壞元器件，因此要降低這些電壓的影響。過電壓保護(hù)基本電路如圖14 所示。其中圖14（a）所示電路是用RC 吸收浪涌電壓的方式，圖14（b）所示電路是再接一只二極管VD抑制浪涌電壓，為防止浪涌電壓的振蕩，VD 要采用高頻開關(guān)二極管。圖14（c）所示電路是用穩(wěn)壓二極管鉗位浪涌電壓的方式，而圖14（d）、圖14（e）所示電路是MOSFET 上如果加的浪涌電壓超過規(guī)定值， 就使MOSFET 導(dǎo)通的方式。圖14(f)和圖14(g)所示電路在逆變器電路中使用，在正負(fù)母線間接電容而吸引浪涌電壓。特別是圖14(g)所示電路能吸收高于電源電壓的浪涌電壓，吸收電路的損耗小。圖14(h)所示電路是對(duì)于在感性負(fù)載（L）上并聯(lián)二極管VD，能消