开关电源功率开关管的选择

开关电源分析

我们在设计开关电源时，不管使用的是哪种拓扑结构，只要电源线路采用的是脉宽调制器PWM构成开关电源时，我们一定会选择功率开关管进行搭配。
  在我们的开关电源领域中，常见的功率开关管有三种：一是双极型功率开关管(BJT)；二是半导体场效应晶体管(MOSFET)；三是绝缘栅一双极型晶体管(IGBT)。
  选择开关电源的功率开关管时，我们要注意其导通压降(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。
  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。
  绝缘栅双极晶体管（IGBT）综合了电力晶体管（GTR）和电力场效应晶体管（MOSFET）的优点，具有良好的特性；IGBT也是三端器件：栅极，集电极和发射极。IGBT是MOS结构双极器件，属于具有功率MOSFET的高速性能与双极的低电阻性能的功率器件。IGBT的应用范围一般都在耐压600V以上、电流10A以上、频率为1kHz以上的区域。
  IGBT内部结构如下图所示：

qhshryw4mnw640132883128.png

  当栅极G施加正电压时，MOSFET的栅极产生电场，吸引电子到P型硅的表面，形成N沟道。这个电场导致PNP晶体管的B-E结正向偏置，使得电子可以从发射极流入集电极，形成导电通道。随着栅极电压的增加，导电通道变宽，电流也随之增加；当栅极电压降低到零或负值时，MOSFET的电场消失，导电通道逐渐消失，电流也随之减少。最终，当栅极电压足够低时，IGBT完全关闭，电流为零。