第四節　主要功率管的選擇

功率開關部分的主要作用是把直流輸入電壓轉換成脈寬調制的交流電壓。緊接在功率開關后的這一級可以用變壓器把交流波形升高或降低,最后由變換器的輸出級把交流電壓轉換成直流。為了完成這個DC-DC變換,功率開關只工作在飽和與關斷兩種狀態,這就可以使開關損耗盡可能小。

目前主要用到兩種功率開關:雙極型功率晶體管(BJT)和功率MOSFET。IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)一般用在功率更大的工業應用場合,比如功率遠大于1kW的電源和電動機驅動電路。與MOSFET相比,IGBT的關斷速度比較慢,所以通常用于開關頻率小于20kHz的情況。

一、雙極型功率晶體管

雙極型功率晶體管是電流驅動型器件。為了讓雙極型功率晶體管像“開關”一樣工作,必須使其工作在飽和或接近飽和的狀態。因此基極電流要滿足下式要求(同時可見圖2-34)。

圖2-34　PWM開關電源中雙極型功率晶體管上的波形

I_B≥

其中,I_B為開通時的基極驅動電流;I_C(max)為IGBT集電極最大電流;h_FE(min)為規定的晶體管最小直流放大倍數。

晶體管的驅動有兩種方式。恒基極電流驅動如圖2-35所示,在整個導通期間都把晶體管驅動到飽和。由于集電極電流幾乎總是低于設計的最大值,所以晶體管也幾乎總是被過度驅動。把晶體管驅動到深度飽和,會使晶體管的關斷變慢。存在時間t_s是指關斷信號加至基極到集電極電流開始關斷的延遲時間。在這段時間內,集射極的電壓還是維持在飽和電壓的水平。這樣雖然不至于增加損耗,但它減小了晶體管可以工作的最大占空比。這種驅動電路能夠提供快速度變化的基極電流(開通和關斷),并把基極電壓稍微拉負。

恒基極電流驅動電路一般從低電壓源(3~5V)中取得電流。這個電壓源一般是由功率變壓器的一個附加繞組提供。直接串聯在基極的電阻(圖2-35中的R₂)在100Ω數量級,其作用是在開通和關斷時限制流入基極的電流。R₂上要并100pF左右的電容,這個電容被稱為基極加速電容(base speed-up capacitor)。在晶體管開通和關斷時,它可以快速度提供一個正或負的浪涌電流,以減少開關時間和減小二次擊穿危險及電流擠流效應。基極驅動電路的晶體管集電極上的電阻(圖2-35上的R₁)進一步控制了通態基極驅動電流。基極上的電壓應該用示波器檢查,在關斷時電壓要稍微有點負值,但不能超過在集射極間的額定雪崩電壓(<5V)。

圖2-35　恒基極驅動電路

另一種方法稱作比例基極驅動,見圖2-36。這種方法是把晶體管驅動到臨界飽和狀態,集射極電壓比固定基極電流驅動時的集射極電壓高,但在這種情況下,開關時間可以在100~200ns之間,比恒基極電流驅動快5~10倍。在實際使用中,恒基極電流驅動是用在中小功率、成本低的場合,而比例基極驅動用在功率比較大的場合。

圖2-36　比例基極驅動電路

最后要考慮的是基極電流要由多大的電壓源提供。由于集射極與正向偏置的二極管類似,VBE的最大值在0.7~1.0V之間,因此2.5~4.0V的電壓源就足夠了。如果基極驅動電壓太高,相應地驅動基極時的損耗也比較大。

在最初的實驗板上,要仔細察看與功率晶體管相關的電壓和電流的波形,同時要核實它們有沒有超出SOA。這時也要修改任何可以改善開關特性的參數,因為開關損耗大約占到電源總損耗的40%。圖2-35和圖2-36所示的是比較常用的驅動雙極型晶體管的驅動電路,供設計者參考。

二、MOSFET功率開關管

功率MOSFET是最常用的功率開關器件。在大多數場合,它的成本和導通損耗與雙極型晶體管相當,開關速度卻快5~10倍,它在設計中也比較容易使用。

MOSFET是電壓控制電流源。為了驅動MOSFET進入飽和區,需要在柵極間加上足夠的電壓,以使漏極能流過預期的最大電流。柵源電壓和漏極電流間的關系稱作跨導,也就是g_m。功率MOSFET通常分成兩類:一類是標準工資的MOSFET。這種MOSFET的V_gs大約為8~10V,以保證額定的漏極電流。另一類是邏輯電平MOSFET。這類MOSFET的V_gs只需4.0~4.5V,其漏源電壓額定值較低(<60V)。

MOSFET的開關速度很快,典型值是40~80ns。要快速驅動MOSFET,就要考慮MOSFET中固有的寄生電容(見圖2-37)。這些電容值在每個MOSFET產品的數據表中都會有說明,這是個非常重要的參數。C_oss也就是漏源間的電容,在漏極負載中要考慮,但與驅動電路的設計沒有直接關系。C_iss和C_rss對MOSFET的開關性能有著直接的影響,影響的大小是可以計算出來的。圖2-38所示的是典型的N溝道MOSFET在一個開關周期內柵極和漏極的波形。

圖2-37　附有寄生電容的功率MOSFET圖形符號

圖2-38　MOSFET的波形

柵極驅動電壓上的平臺是由于漏源電壓反向轉換時通過密勒電容(C_rss)被耦合到柵極引起的。在這期間,柵極驅動電流的波形上可以看到一個很大的脈沖。這個平臺出現在電壓比額定門檻電壓稍高的時候,電壓值為V_TH+ID/g_m。這個平臺電壓也可以從MOSFET的數據手冊上提供的傳遞函數圖上確定(見圖2-39)。對于粗略的估計,可以用門檻電壓來代替這個平臺電壓。MOSFET數據手冊提供的曲線見圖2-39。

圖2-39　典型的MOSFET數據手冊上的曲線

這些電容導致MOSFET開關特性上的延時。驅動電路要求能驅動容性負載。首先,要確定使柵極電壓變化時所需的電荷,這可以從圖2-39中與柵極電壓工作點對應的值相減得到。從下式就可以計算開關延時。

開通延時:　　　　　　　CMOS　　　雙極型晶體管

開通延時t₍₁₎≈,t₍₁₎=

上升時間t₍₂₎≈,t₍₂₎=

t₍₃₎≈,t₍₃₎=

R_eff(OL)=

關斷延時:

CMOS　　　雙極型晶體管

關斷延時t₍₃₎≈,t₍₃₎=

下降時間t₍₂₎≈,t₍₂₎=

t₍₁₎≈,t₍₁₎=

R_eff(OH)=

基于雙極型器件的驅動電路比基于CMOS器件的驅動電路更可能提供MOSFET柵極所需的的電流脈沖。基于CMOS器件的驅動電路工作起來是一個電流受限的輸入輸出源。開關速度是通過在驅動電路和柵極間串上一個電阻來控制的。在開關電源中,如果要求比較快的開關速度,建議不用大于27Ω的電阻,因為它會使開關速度下降,開關損耗明顯增加。

MOSFET驅動電路見圖2-40。

圖2-40　MOSFET驅動電路

三、IGBT功率開關管

IGBT是功率MOSFET和雙極型晶體管組成的復合器件,其內部示意圖見圖2-41。

圖2-41　IGBT內部示意圖

IGBT比起MOSFET的優越性在于它可以節約硅片的面積,及具有雙極型晶體管電流的特性。但它也有兩個缺點:由于有兩個串聯的PN結,它的飽和壓降比較高,另外,IGBT有比較長的拖尾電流,會增加開關損耗。拖尾電流使它的開關頻率限制在20kHz以下。因其開關頻率剛好超過人的聽覺范圍,所以把它用在驅動工業電動機上很理想。

IGBT已經成為很多半導體公司的研究目標,它的拖尾時間也已經大縮短了。原先,拖尾時間大約5μs,現在大約只有100ns,而且還將繼續縮短。飽和電壓也從大約4V降低到2V。雖然在低電壓DC-DC變換器中,IGBT的使用還成問題,但在離線式和工業大功率變換器上有很大的需求。作為作者個人判斷,在輸入電壓大于AC 220V、功率大于1kW場合下,可考慮用IGBT。

IGBT與MOSFET有相同的柵極驅動特性,MOSFET的驅動IG用在IGBT上也可以很好地工作。