你必須了解的開關(guān)電源元器件選擇

在開關(guān)電源中，電壓、電流波形均為突變的脈沖狀態(tài)，元器件所承受電壓或電流除加在元器件上的供電電壓以外，還有電路中電感成分引起的感應(yīng)電壓、電容器的充電電流等，使得元器件的選擇變得復(fù)雜化。

實(shí)際上，開關(guān)電源屬有穩(wěn)壓功能的AC/DC或DC/DC變換器，即使所謂DC/DC變換，其中間環(huán)節(jié)仍然要通過脈沖狀態(tài)作為轉(zhuǎn)換媒介。實(shí)際過程是：DC先逆變成脈沖狀態(tài)的AC，再由脈沖整流、濾波成為直流電壓。在此過程中，整流、濾波元器件要求也與工頻整流電路大有差別。工頻正弦波交流電源最大值、平均值和有效值都按正弦函數(shù)有固定的比例關(guān)系，可以對元器件的額定參數(shù)進(jìn)行十分準(zhǔn)確的計(jì)算。

但是，脈沖波、電壓、電流數(shù)值的關(guān)系不是一成不變的，而是隨脈沖波形和負(fù)載性質(zhì)而有很大的變化。

即使采用積分法計(jì)算脈沖波形的平均值，要求脈沖波形有一定的規(guī)律，而波形幅度與時間關(guān)系的不穩(wěn)定性使這種計(jì)算往往難以準(zhǔn)確。尤其是脈沖波形的定量測量，也非一般簡單儀表所能準(zhǔn)確測量的，除了脈沖示波器以外，還沒有更簡單的方式，例如：開關(guān)電源開關(guān)管的反向電壓值。至于某些情況下要求測出脈沖波的有效值就更困難了。例如：用行逆程脈沖向CRT燈絲供電，要求6.3V的有效值，其準(zhǔn)確測量，除用熱電偶傳感器組成的磁電式儀表或高頻率電動式儀表以外，似乎還沒有其他的方式。

也就是說，工作在脈沖電路中的元器件欲通過實(shí)測電壓、電流參數(shù)選擇其性能是不可能的。至于理論計(jì)算，也只能達(dá)到近似估計(jì)的程度，具體參數(shù)選擇是在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上寬打窄用。最明顯的例子是：單端開關(guān)電路，從理論上計(jì)算，其開關(guān)管反壓應(yīng)為輸入電壓最大值的兩倍。而實(shí)際應(yīng)用中，加在開關(guān)管集電極的脈沖波形受儲能電感的集總參數(shù)、分布參數(shù)和電源負(fù)載性質(zhì)的影響，開關(guān)管承受反壓值將超出理論計(jì)算值范圍。

因?yàn)殡姼芯€圈的感應(yīng)電勢不僅與電流變化成正比的函數(shù)，而且與產(chǎn)生電流變化的時間成反比。另外，電感線圈的工藝上幾乎難以人為控制的分布參數(shù)，也使感應(yīng)電勢大幅度超出計(jì)算值。因此，在脈沖狀態(tài)下，不論無源元件還是有源器件，其性能選擇不同于普通模擬電路。

開關(guān)電源元器件的選擇3.3輸出整流3.3.1肖特基二極管

在輸出低壓低的變換器中肖特基作為輸出整流管是最好的，因?yàn)樗驂航档停譀]有反向恢復(fù)時間，正確嗎？雖然它確實(shí)正向壓降低和沒有反向恢復(fù)時間，但肖特基二極管在陰極和陽極之間通常有較大的電容。隨加在肖特基上電壓變化對此電容必然存在充電和放電（當(dāng)肖特基幾乎沒有加電壓時，電容最大）。

這種現(xiàn)象非常像普通二極管的反相恢復(fù)電流。

視電路不同，也可能其損耗比用一個超快恢復(fù)整流管時損耗大得多。還應(yīng)當(dāng)注意此結(jié)電容，雖然電荷Q低，仍然可能與電路中雜散電感引起振蕩，在某些諧振設(shè)計(jì)中利用此特性做成軟開關(guān)。所以與普通二極管相同有必要給肖特基加一個緩沖電路，這樣新增了損耗。此外肖特基在高溫和它的額定電壓下有很大的漏電流。

漏電流可能將正激變換器次級短路，這也許就是鍺二極管漏電流太大而不用的原因。因?yàn)檫@個緣故，為使反向電流不要太大，只能用到肖特基額定電壓的3/4，溫度不超過110℃。高壓肖特基與普通二極管正向壓降相近。你就沒有必要一定要用這樣的器件。假如今后技術(shù)發(fā)展，高壓肖特基二極管確實(shí)比雙極型二極管正向壓降低，則另當(dāng)別論。

3.3.2二極管

設(shè)計(jì)一個12V輸出，16A電流，能否用兩個10A定額的二極管并聯(lián)？由于二極管正向壓降的負(fù)溫度系數(shù)特性和正向壓降的離散性，結(jié)果一個電流較大的二極管，損耗加大而溫度高，正向壓降降低電流繼續(xù)加大，正反饋，最后導(dǎo)致一個二極管流過全部電流而燒壞，記住了嗎？所以雖然能將二極管并聯(lián)但應(yīng)當(dāng)注意熱平衡（即確保它們之間最小的熱組）。假如用兩個分立二極管實(shí)際上這樣做不會很成功。要是兩個二極管做在一個芯片上，具有相同的熱和電氣特性。可以做到較好均衡。MOSFET壓降具有正溫度特性，使得并聯(lián)容易。

3.3.3反向恢復(fù)

肖特基沒有反向恢復(fù)時間，而所有雙極型二極管都有反向恢復(fù)問題。它是在二極管正向?qū)娏鱅F關(guān)斷時刻，由于少數(shù)載流子存儲效應(yīng)不能立即消失，還能在短時間trr=ta+tb（圖3.3）流過反方向（即由22陰極到陽極）電流，這個時間trr叫做反向恢復(fù)時間。

圖3.3圖解了這個異常現(xiàn)象。在ta時間內(nèi)反向電流上升到最大值，在變壓器的漏感和引線等寄生電感中存儲能量（圖3.4），此后（tb），二極管開始截止，迫使電路中電流減少，存儲在電感中的能量釋放，與相關(guān)電路分布電容形成振蕩，產(chǎn)生嚴(yán)重的振鈴現(xiàn)象，這對變換器效率、電磁兼容造成極大影響。根據(jù)反向恢復(fù)時間將二極管的分成不同等級（普通整流管、快恢復(fù)，超快恢復(fù)等等）。

高頻變換器在輸出級峰值電壓50V以上總是采用超快恢復(fù)二極管，50V以下采用肖特基二極管。輸出電壓低時采用同步整流MOSFET。同步整流的MOSFET的體二極管恢復(fù)速度很慢，通常大約為1μs。它不適宜作為整流管。這就是為何通常用肖特基與同步整流MOSFET管并聯(lián)：在MOSFET關(guān)斷時肖特基流過幾乎全部電流，這意味著體二極管不要反向恢復(fù)。

圖3.3雙極型二極管反向恢復(fù)特性

快速二極管損耗小，是否越快越好？但是假如是電網(wǎng)整流二極管用超快恢復(fù)二極管不是好主意。問題是快恢復(fù)時間產(chǎn)生快速下降沿，引起電磁干擾。在這種情況下，最好還是采用普通的恢復(fù)時間5~10μs的整流管。高電壓定額二極管比低電壓定額的二極管有更高的正向壓降和較長的恢復(fù)時間。這就是為何在滿足電路要求的前提下，盡可能選擇較低定額的整流管。大電流定額的二極管比小電流有更長的恢復(fù)時間，大馬拉小車也不是好主意。

3.4功率晶體管（GTR）

+U-U-U+U初始電流方向隨后電流可能方向

圖3.4在電流從陽極流向陰極之后，在陽極－陰極之間加反向電壓，電流由陰極流向陽極目前使用的功率開關(guān)晶體管也稱GTR（巨型晶體管），有功率雙極型晶體管（BJT）、MOSFET和IGBT。開關(guān)電源中功率管重要關(guān)心器件的導(dǎo)通電阻（或壓降）和開關(guān)速度。功率晶體管的導(dǎo)通壓降和開關(guān)速度都與其電壓定額有關(guān)。電壓定額越高，導(dǎo)通壓降越大，開關(guān)時間越長。因此，在滿足1.2~1.5倍工作電壓外，盡可能選擇電壓低的器件。

3.4.1雙極型晶體管（BJT）

功率雙極型晶體管輸出特性有一個以集電極最大電流ICM，集電極最大允許損耗pCM，二次擊穿特性Is/b和集電極－發(fā)射極擊穿電壓U（BR）CEO為邊界構(gòu)成的安全工作區(qū)（SOA）。不管在瞬態(tài)還是在穩(wěn)態(tài)，

晶體管電流與電壓軌跡都不應(yīng)當(dāng)超出安全工作區(qū)對應(yīng)的邊界。同時邊界限值與溫度、脈沖寬度有關(guān)，溫度升高有些邊界還應(yīng)當(dāng)降額。

許多小信號BJT二次擊穿特性在ICM，pCM，U（BR）CEO為邊界的安全區(qū)以內(nèi)。同時小信號BJT沒有開關(guān)工作規(guī)范，列出最大直流集電極電流，但沒有與脈沖電流有關(guān)的曲線。假如沒有給你電流脈沖電流定額，可假定器件能夠處理脈沖電流是額定直流的兩倍比較合理。假如這是按照保險絲電流來定額，

脈沖電流幅值與脈沖持續(xù)時間有關(guān)；事實(shí)上，電流限制是限制局部電流過大。短路時不超過2倍直流電流最安全。大電流BJT功率管（不包括達(dá)林頓）的β一般較低，BJT的β與電流、老化、溫度以及電壓定額等參數(shù)有關(guān)。一般取最小β＝5～10。不要忘了集電極漏電流，每10℃新增1倍。這將引起截止損耗。為降低晶體管的導(dǎo)通損耗，一般功率管導(dǎo)通時為過飽和狀態(tài)。但這樣增大了存儲時間，降低開關(guān)了速度。為了減少存儲時間，晶體管在關(guān)斷時一般給B－E極之間加反向電壓，抽出基區(qū)過剩的載流子。假如施加的反壓太大，B－E結(jié)將發(fā)生反向齊納擊穿。一般硅功率晶體管B－E反向擊穿電壓為5~6V。為避免擊穿電流過大，需用一個電阻限制擊穿電流。

為了快速關(guān)斷晶體管，采用抗飽和電路，如圖3.5。電路中集電極飽和電壓Uce=UDb+Ube－UDc。假如UDb＝Ube＝UDc＝0.7V，則Uce=0.7V，使得過大的驅(qū)動電流流經(jīng)集電極，降低晶體管的飽和深度，存儲時間減少，關(guān)斷加快。假如允許晶體管飽和壓降大，飽和深度降低，二極管Db可以用兩個二極管串聯(lián)，則晶體管飽和壓降大約為1.4V準(zhǔn)飽和狀態(tài)，很小的存儲時間，關(guān)斷時間縮短，但導(dǎo)通損耗加大。

圖3.5抗飽和電路加速

關(guān)斷雙極型功率管電壓電流定額越大，開關(guān)速度越慢。例如采用抗飽和等加速開關(guān)措施后，U（BR）CEO=450V，50A開關(guān)管可以工作在50kHz，損耗可以接受。

233.4.2MOSFET晶體管

場效應(yīng)晶體管有結(jié)型和MOS（MetalOxideSemiconductor）型。功率場效應(yīng)管一般是MOSFET。而MOSFET還有p溝道和N溝道。較大功率一般不用p溝道，因?yàn)榕cN溝道相同電流和電壓定額的管子導(dǎo)通電阻比N溝道大，同時開關(guān)速度也比N溝道慢。MOSFET內(nèi)部結(jié)構(gòu)源極和漏極對稱的，且可以互換的。只要在柵極和源極（漏極）之間加一定正電壓（N溝道），就能導(dǎo)通。因此MOSFET也常用于同步整流，它能雙向?qū)娏鳌?/p>
損耗

損耗有三個部分：導(dǎo)通損耗，柵極損耗和開關(guān)損耗。

導(dǎo)通損耗MOSFET完全導(dǎo)通時，漏－源之間有一個電阻Ron上的損耗。應(yīng)當(dāng)注意手冊上導(dǎo)通電阻測試條件，測試時一般柵極驅(qū)動電壓為15V。假如你的驅(qū)動電壓小于測試值，導(dǎo)通電阻應(yīng)比手冊大，而且導(dǎo)通損耗p=RonI2也加大。同時你還應(yīng)當(dāng)知道導(dǎo)通電阻隨溫度上升而新增，典型為，T－結(jié)溫。所以假如你要知道實(shí)際結(jié)溫，根據(jù)熱阻乘以損耗求得結(jié)溫，再根據(jù)新的熱態(tài)電阻求得損耗，如此反復(fù)迭代，直到收斂為止。

假如不收斂，損耗功率太大。25R（T）=R25×1.007T?柵極損耗為驅(qū)動?xùn)艠O電荷損耗。即柵極電容的充放電損耗，它不是損耗MOSFET上，而是柵極電阻或驅(qū)動電路上。

雖然電容與柵極電壓是高度非線性關(guān)系，手冊中給出了柵極達(dá)到一定電壓Ug的電荷Qg，因此將此電荷驅(qū)動?xùn)艠O的功率為p=QgVf。請注意這里沒有系數(shù)0.5。

要是實(shí)際驅(qū)動電壓和手冊對應(yīng)的電荷規(guī)定電壓不同，可以這樣近似處理，用兩個電壓比乘以柵極電荷比較合理。要是你的柵極電壓比手冊規(guī)定高的話，這樣做最好。但密勒電容電荷是造成計(jì)算誤差的重要因素。開關(guān)損耗隨著MOSFET的交替導(dǎo)通與截止（非諧振），瞬態(tài)電壓和電流的交越導(dǎo)致功率損耗，稱為開關(guān)損耗。

開關(guān)電路中帶有電感，電流或電壓一般總是同時達(dá)到最大時轉(zhuǎn)換，假如電流或電壓隨時間線性變化，由此可以推導(dǎo)出開關(guān)損耗：在斷續(xù)導(dǎo)通模式中，損耗p=IpkUpktsfs/2；而在持續(xù)模式中，此損耗加倍。這里Upk為MOSFET由導(dǎo)通到截止時漏－源電壓（和截止到導(dǎo)通的持續(xù)模式）；Ipk為漏極峰值電流；ts為開關(guān)過渡時間；fs為開關(guān)頻率。

這就是為何柵極驅(qū)動越“硬”損耗越低。從損耗的角度希望驅(qū)動越硬越好，也就是要求驅(qū)動波形的前后沿陡。但因?yàn)镸OSFET的輸入是一個電容，驅(qū)動波形越陡，即開關(guān)時dUg/dt越大，就意味著必須要求驅(qū)動電路供應(yīng)很大的驅(qū)動電流，驅(qū)動信號源內(nèi)阻越小越好。

但是開關(guān)速度越快，柵極電路微小寄生參數(shù)就會興風(fēng)作浪，而EMI問題越突出。總之，MOSFET的總損耗是通態(tài)、柵極電荷和開關(guān)損耗之和。而總損耗中僅僅是第一和第三項(xiàng)是損耗在MOSFET上的。用這個方法計(jì)算損耗，就可以用封裝的熱阻計(jì)MOSFET是不是過熱還是涼的，要是不對，那你肯定算錯了。從降低開關(guān)損耗的觀點(diǎn)要求驅(qū)動波形前后沿越陡越好，驅(qū)動源是理想電壓源。

但是，除了帶有驅(qū)動電路的功率模塊以外，柵極驅(qū)動電路不可能與柵極連線最短，連線電感是不可避免的。線路電感與輸入電容在驅(qū)動電壓激勵下引起嚴(yán)重的振蕩，使驅(qū)動無法正常工作。

為此，一般總在MOSFET柵極串聯(lián)一個電阻，對振蕩阻尼在可接受范圍內(nèi)。但是，電阻的加入破壞了驅(qū)動的電源壓特性，限制了驅(qū)動電流，降低了前后沿陡度，驅(qū)動波形前沿出現(xiàn)明顯指數(shù)上升特性，并在驅(qū)動達(dá)到MOSFET開啟電壓UT時，由于漏－柵電容放電的密勒效應(yīng)造成柵極電壓“打折”（圖3.6），加大導(dǎo)通損耗。

在關(guān)斷時，密勒電容的放電效應(yīng)，使得關(guān)斷延緩或誤導(dǎo)通，新增了關(guān)斷損耗。因此，柵極電阻不能太大，只要抑制振蕩就行。從根本上應(yīng)當(dāng)盡量縮短柵極與驅(qū)動連接距離。

圖3.6非理想電壓驅(qū)動源柵極電壓波

形但假如兩個MOSFET并聯(lián)，可能你仍用一個電阻，或許用它原來的一半。不，這樣不行，即使有另外限流措施，如磁珠串聯(lián)，仍必須每個柵極一個電阻。

原因是兩個MOSFET有各自的柵極電荷和引線電感，形成一個欠阻尼振蕩網(wǎng)絡(luò)，而觀察到并聯(lián)的MOSFET有100MHz振蕩！假如用一個數(shù)字示波器，并不注意此振蕩，你可能看不到它們，但它們引起損耗，當(dāng)然也引起EMI。柵極電阻重要是用來阻尼柵極振蕩。為了避免振蕩，在柵極－源極之間并聯(lián)一個20V穩(wěn)壓二極管，有人用40V驅(qū)動?xùn)艠O，使柵極電容充電更快地通過開啟電壓。

當(dāng)達(dá)到20V時，箝位二極管擊穿保護(hù)柵極電壓不要超過它的最大值，這樣消耗了更大功率。正確的方法是用低輸出阻抗的源驅(qū)動?xùn)艠O。要是功率MOSFET導(dǎo)通時間10ns的驅(qū)動最好。

24功率MOSFET可以工作范圍很廣，低電壓下幾十瓦達(dá)1MHz以上；數(shù)千瓦可達(dá)數(shù)百kHz。低電壓器件導(dǎo)通電阻很小，隨電壓定額提高，導(dǎo)通電阻隨電壓新增指數(shù)新增。利用這一特性低電壓用于同步整流，也可將低電壓MOSFET串聯(lián)在BJT發(fā)射極，利用MOSFET的開關(guān)速度，利用BJT的電壓定額。圖3.6是這種組合的實(shí)用的例子。

圖3.6中U為MOSFET和BJT驅(qū)動電源。T為BJT的比例驅(qū)動電流互感器。pWM信號驅(qū)動MOSFET（Tr1）。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時，導(dǎo)通壓降很小，將BJT的發(fā)射極接地，驅(qū)動電源U通過限流電阻R迫使BJT初始導(dǎo)通，一旦BJT開始導(dǎo)通，設(shè)置在BJT集電極的電流互感器T在初級流過電流Ic，在次級正比感應(yīng)電流經(jīng)D1注入到BJT基極。

一般互感器變比1/n《（1/β），例如n=1:10，而BJT的最小β＝15。這樣互感器注入到BJT的電流產(chǎn)生更大的集電極電流，從而更大的基極電流注入，如此正反饋直至BJT飽和導(dǎo)通。

完成導(dǎo)通過程。假如先將MOSFET關(guān)斷，首先BJT的發(fā)射極電位提高造成BE結(jié)反偏，集電極電流減少，互感器初級電流減少，基極電流減少，一旦進(jìn)入BJT放大區(qū)迅速正反饋關(guān)斷

圖3.6MOSFET與BJT組合

大電流低壓MOSFET導(dǎo)通電阻非常小，開關(guān)速度快；而BJT關(guān)斷時，承受電壓是U（BR）CER。例如，有一個通信電源雙路雙端正激中采用這種結(jié)構(gòu)。輸入電壓550V，峰值電流23A電路中應(yīng)用了60A/50V的MOSFET和70A/700V（U（BR）CER）的BJT功率管。開關(guān)頻率達(dá)50kHz。高壓MOSFET也可與IGBT或BJT并聯(lián)，驅(qū)動MOSFET先開通后關(guān)斷。因?yàn)镸OSFET承擔(dān)了開關(guān)過渡時間，BJT或IGBT零電壓開通與關(guān)斷；導(dǎo)通時，高壓MOSFET比IGBT或BJT具有更高的壓降，負(fù)載電流大部分流經(jīng)IGBT或BJT，只有很少部分通過MOSFET，減少了導(dǎo)通損耗。盡管如此，BJT或IGBT的開關(guān)時間仍是限制提高頻率的重要因素。

3.4.3IGBT

IGBT結(jié)構(gòu)相似于MOSFET與BJT符合管。具有MOSFET的絕緣柵極輸入特性－電壓驅(qū)動和相似BJT的導(dǎo)通壓降。但是由于BJT的基極未引出，導(dǎo)通剩余載流子復(fù)合時間長，關(guān)斷時間長－嚴(yán)重拖尾現(xiàn)象；輸出管是pNp結(jié)構(gòu)，導(dǎo)通壓降一般比NpN結(jié)構(gòu)高。器件電壓定額一般500V以上，電流從數(shù)十安到數(shù)千安。最適宜變頻調(diào)速和高功率變換。電壓電流越大，可工作的頻率就越低