开关电源特性的详细说明

在开关电源中,通过晶体管导通和截止的时间之比(即占空比)来稳定输出电压。在这里,晶体管被用作开关,利用晶体管的放大通过非常小的基极电流来控制集电极电流。当集电极电流饱和时,该开关被认为是导通的,而当集电极电流截止时,该开关被认为是导通的。

然而,晶体管的开/关不是理想的。 导通模式的饱和压降为VCES,关断时IC≠0,但具有一定的ICEO。与理想开关相比,作为开关的晶体管不能与基本控制电流同时导通/截止,这需要一定的过程。

为了研究晶体管导通/关断的瞬时过程,首先规定了开/关的相对值,则,当集电极电流达到其最大饱和电流的90%时,它被认为是导通,并且集电极电流归我断开时视为10%。根据该标准进行测量,并且将晶体管开/关过程所需的时间用作比较标准以测量晶体管的开关特性。

对于晶体管在开关状态和线性放大状态下的操作有完全不同的要求。放大状态要求晶体管的Ic应该完全由IB控制,并且两者具有稳定的线性关系,包括放大后的模拟波形和输入波形具有完全相同的包络线。开关状态要求晶体管的基极电流达到Icm / hfe,并且其集电极电流立即上升到Icm,并且不应执行过渡过程。但是实际上,这是不可能的,因为晶体管使用其放大特性在开关状态下工作。

任何晶体管的IC-IB特性都是与x轴成一定角度的对角线。 斜线的斜率(即夹角)将永远不垂直于X轴(即hfe不会是无限的)。 然后,还必须根据斜线定律将Ir从零控制到Icm,因此打开/关闭它需要一定的时间。

另外,双极晶体管的基本放大原理还需要一定的时间来切换。晶体管处于放大状态。 公共基极放大状态下的最高截止频率(fT)和最高频率(fa)表示晶体管可以工作的频率范围。但是,fT和fa不能准确地表示晶体管的开关特性。 尽管fT和fa越高,晶体管的开关特性越好,但是一些具有相同fr和fa的晶体管具有不同的开关特性。因此,晶体管的开关特性通常用开关的导通时间ton和截止时间toff表示。

导通时间是指在添加基本驱动脉冲后,集电极电流达到饱和值的90%所需的时间。为了排除驱动电流的影响,假定施加在基极和发射极之间的控制电流是理想的矩形波,如下图所示。当基极电流以垂直于X轴的特性上升时,集电极电流Ic不会相应增加,而是具有延迟时间t。此时,lc缓慢上升至Icm的10%。延迟时间的原因是,当晶体管处于截止状态时,基极区基本没有电子。 当控制电压突然增加时,发射极结应为VB≥+ 0。在6V的电压下,输入电流必须连续对发射极结电容充电,以减小PN结的内部电场,然后将电子发射到基极区,因此要花费一段时间(ta)。ta与发射极结的电容成正比,与发射极结的面积成反比。开关管的功率越大,相应的发射结面积将相应增加,因此有必要减小t。更加困难。

发射极结的充电速度不仅与输入驱动脉冲的内部电阻有关,而且与晶体管的截止有关。如果晶体管处于深度截止状态(即,反向偏置太大),ta也会变慢。当Ic达到10%Icm时,Ic和IB在驱动脉冲的作用下线性增加。

它的生长速率,即Ic曲线从10%到90%的斜率,等于管的hfe。

如前所述,曲线的该段不能是垂直线,因此形成上升时间tr。显然,晶体管的hfe越大,Tr越短。在延迟时间和上升时间之后,晶体管Ic = Icm的90%认为它已经导通并且开关闭合,因此导通时间为ta + tr。当驱动脉冲回落到零时,将需要一些时间来关闭电源。

当开关饱和时,基极区域必须积累更多的电荷,并且集电极结将形成空穴积累。 在饱和过程中,必须发生IB> IC / hFE,这是晶体管进入饱和区域的可靠保证。但是,如果IB比IC / hFE大得多,也就是说,在过饱和状态(或深饱和状态)下,存储在基极区中的电荷越多,集电极结中空穴的积累越严重。 当驱动脉冲被切断时,所存储的电荷耗散时间越长,因此,在驱动脉冲被切断之后,将Ic从90%减小到10%的时间被称为存储时间ts。从三极管结构的角度来看,基极区和集电极区越薄,存储的电荷量越小,tr越小。在ts之后,晶体管随着存储时基的正偏压逐渐消失,并且Ic相应地减小,从而形成下降时间tf。

存储时间ta + tf构成关闭时间。开启时间和关闭时间首先取决于晶体管的结构和工艺,然后取决于设计合理的开关驱动电路。

导通时间和截止时间构成了开关管的导通损耗和截止损耗。因为在此期间,晶体管处于放大区域,其管电压降将不可避免地增加,并且功耗将相应增加。根据与此相同的原理,二极管也具有开/关时间。 但是,在开关电源中,最重要的是二极管的反向恢复时间。当二极管导通时,施加的脉冲降至零,并且二极管不会立即关闭。 返回截止点需要一些时间(由于与上述相同的原因)。当工作频率增加时,二极管无法在正向脉冲后及时恢复,并且其单向导电性会导致电路处于短路状态。除了PN结和N电容外,二极管的恢复时间还与工艺结构有关。 因此,存在普通的工频整流二极管,快速恢复二极管和肖特基二极管。

普通工频整流二极管的正向压降在1V至2V的范围内,其增加程度随耐压的增加而增加。目前,其最大背压可以达到5kV以上,最大整流电流可以达到kA以上。所谓工频不仅指频率,还指波形是正弦波,其反向恢复时间相对较慢。 因此,该二极管不适用于方波逆变器中的整流和阻尼。在开关电源中,它只能用于交流电源整流。

快速恢复二极管意味着反向恢复时间为50?在200ns的范围内,它可以用于100kHz。以下开关管的开关脉冲整流,钳位和阻尼电路的参数与生产过程有关。 最快的反向恢复时间属于通过外延方法生产的二极管。一般手册中列出的最大背压是其击穿电压的80%,选择时应注意留有适当的余量。

肖特基二极管SBD是多数载流子单向导电器件,其开关时间非常短,通常为50到100 ns。其最大特点是:

理论上,前向压降为零。3?0。5V,额定电流不超过0。6吗0。8V,比PN结二极管的最大正向压降低1V 2V?1次,因此进行低压大电流脉冲整流是非常有益的。但是,肖特基二极管的反向电压非常低,大多低于40V,只有少数产品可以达到100V。一种用于低压输出开关电源和大电流低压脉冲整流电路