功率开关管

开关电源分析

我们使用脉宽调制(PWM)器构成开关电源时，一定会选择功率开关管进行搭配。而在开关电源中使用的功率开关管主有双极型功率开关管(BJT)、半导体场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅一双极型晶体管(IGBT)。
     我们在选择开关电源的功率开关管时，要注意其导通压降(或通态电阻)和开关速度；功率开关管的导通压降和开关速度与额定电压有关，额定电压越高，导通压降越大，开关速度越慢。因此，在满足额定电压为实际工作电压1.2~1.5倍的条件下，应尽量选择低压功率开关管。
    双极型功率开关管(BJT)是具有开关特性和功率输出能力的双极、结型晶体管;由于有两种载流子(电子与空穴)流过晶体管， 故称之为双极型，这与仅有一种载流子的场效应管不同。双极型功率管属于电流驱动型功率器件，常用的耐压值在1kV以下，工作电流从几安培到几百安培；主要优点是价格便宜；而缺点是电流放大系数低，驱动电流较大，开关频率低(几十千赫以下)，所以比较适合中、小功率的开关电源。
    我们在使用双极型功率开关管时要注意：双极型功率开关管有一个以集电极最大电流、集电极最大允许功耗、二次击穿电流和集电极-发射极击穿电压为边界的安全工作区。无论在瞬态还是稳态下，晶体管的工作电流和工作电压都不得超出安全工作区范围。此外，安全工作区的边界值还与环境温度、脉冲宽度等参数有关。当环境温度升高时，安全工作区也应降额使用；双极型功率开关管的电流放大系数值较低，其最小值一般为5~10倍；环境温度每升高10℃,集电极漏电流就增加一倍，这会引起关断损耗；为降低功率开关管的导通损耗，它在导通时一般处于过饱和状态，这势必增加 了存储时间，降低开关速度。为减少存储时间，所以需要在功率开关管关断时给发射结加反向电压，但反向电压过大，发射结将被反向击穿；为了避免击穿电流过大，我们可采用电阻来限制反向电流不致过大；为了快速关断功率开关管，可采用抗饱和电路；如下图所示：

4bnf2qw2hy164026804305.png

    MOSFET属于绝缘栅型场效应管；其主要特点是在金属栅极与沟道之间有一层二氧化硅绝缘层，因此具有很高的输入电阻(最高可达10^15Ω)；我们依据开关管导通方式划分，可分N沟道管和P沟道管两种类型；根据导电方式的不同，MOSFET又分增强型、耗尽型两种。所谓增强型是指当Ugs=0时,开关管子呈截止状态，加上正确的Ugs(对N沟道管要求Ugs>0;对P沟道管则要求Ugs
    我们通常使用到的MOSFET功率开关管一般采用N沟道管，因为在同样况下N沟道管的通态电阻要比P沟道管小，且开关速度比N沟管快。由于MOSFET 的源极和漏极结构是对称的，因此使用时互换。对N沟道管而言，只要在栅极和源极(漏极)之间加上电压就能双向导通。因此MOSFET可用作同步整流。MOSFET功率开关管的工作电流从几安培到几百安培，输出功率从几十瓦到几千瓦，开关频率可达几百千赫至1MHz以上。