在开关电源中,是通过三极管开与关的时间比(即占空比)稳定输出电压的。在这里,三极管被当作开关使用,利用三极管的放大作用,通过极小的基极电流控制集电极电流。当集电极电流饱和时,认为开关已接通,而集电极电流截止时,则认为开关已断开。
开关电源双极性开关管的选择
导通时间是指,当基极驱动脉冲加入后,集电极电流由零达到饱和值90%所占用的时间。为了排除驱动电流的影响,假设加到基极一发射极之间的控制电流为理想的矩形波,见下图所示。在基极电流以垂直于X轴的特性上升时,集电极电流Ic并不随之升高,而是有一延迟时间t。,在此时间内lc呈缓慢曲线上升到Icm的10%。产生延迟时间的原因是:三极管在截止状态时,基区基本无自由电子,当控制电压突然升高时,欲使发射结达到VB≥+0.6V,输入电流必须不断地给发射结电容充电,以降低PN结的内部电场,然后再向基区发射电子,因而需经过一段时间(ta)。ta正比于发射结电容,反比于发射结的面积。开关管功率越大,必然发射结面积相应增大,欲要减小t。就越加困难。
其增长速度即从Ic由10%到90%曲线的斜率等于该管的hfe。
前面已提到,此段曲线不可能是垂直线,因而形成上升时间tr。很明显,三极管的hfe越大,Tr越短。经过延迟时间与上升时间之后,三极管Ic=90%的Icm才认为其已经导通,开关闭合,因此导通时间为ta+tr。当驱动脉冲回落至零时,开关的关断同样需要一定的时间。
当开关管饱和时,基区必然积累较多的电荷,集电结形成空穴积累,饱和过程中必然出现IB》IC/hFE,这是使三极管进入饱和区的可靠保证。但如果IB远大于IC/hFE,即处于过饱和状态(或称深度饱和状态),基区存储电荷越多,集电结空穴积累越严重,当驱动脉冲截止时,存储电荷的消散时间也越长,因而在驱动脉冲截止后,将Ic由90%降低为10%的时间称为存储时间ts。从三极管结构来说,基区和集电区越薄,存储电荷量就越小,tr也就越小。经过ts之后,三极管随存储时间基区正偏逐渐消失,Ic随之下降,形成下降时间tf。
存储时间ta+tf,即构成开关管关断时间。导通时间与关断时间首先取决于三极管的结构和工艺,其次才是设计合理的开关驱动电路。
普通工频整流二极管正向压降范围为1~2V,随耐压升高有不同程度的增大。目前其最高反压可作到5kV以上,最大整流电流达到kA以上。所谓工频,不单指频率,还指其波形是正弦波,其反向恢复时间比较慢,因此,此类二极管不适直用在方波逆变器中作整流和阻尼。在开关电源中,也只能用于交流电源整流。
快恢复二极管,指反向恢复时间在50~200ns范围内,可用于100kHz。以下的开关脉冲的整流、箝位及开关管的阻尼电路等。快恢复二极管的参数与生产工艺有关,反向恢复时间最快的属外延法生产的二极管.一般手册中所列最高反压为其击穿电压的80%,选用时需注意留有适当的余量。
肖特基二极管SBD为多数载流子单向导电器件,其开关时间极短,一般为50~100ns。其最大特点是:正向压降理论上为0.3~0.5V,额定电流不超出0.6~0.8V,比PN结二极管的最大正向压降1~1.2V低近一倍,因此作低压大电流脉冲整流十分有利。但肖特基二极管反向电压较低,大多为40V以下,只有极少数产品能达到100V。一股用于低压输出开关电源中和大电流低电压的脉冲整流电路中。