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<0)时,多数载流子就被吸引到栅极,从而“增强”了该区城的载流子,形成导电沟道。耗尽型则是指当Ugs=0时即形成沟道,加上正确的Ugs(对N沟道管要求Ugs<0)时,能使多数载流子流出沟道, 因而“耗尽”了载流子,使管子转向截止。
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:
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。