2.1 功率開關(guān)晶體管的特性與選用

2.1.1 MOSFET的特性及主要參數(shù)

現(xiàn)在MOSFET在電子電路中被廣泛應(yīng)用，是因?yàn)閱尉Ч璧慕Y(jié)面積較大，能實(shí)現(xiàn)垂直傳導(dǎo)電流，使得電流的容量加大，焊接在PN結(jié)面的單晶硅具有高阻移動范圍，提高了結(jié)區(qū)耐壓量級，溝道電阻減小，開關(guān)速度提高，柵極電壓不以漏源間隙增加而變化，所以漏源電壓大大提高，極間電容減小。

MOSFET分P溝道耗盡型、N溝道耗盡型和P溝道增強(qiáng)型、N溝道增強(qiáng)型4種類型。增強(qiáng)型MOSFET具有應(yīng)用方便的“常閉”特性（即驅(qū)動信號為零時，輸出等于零）。在開關(guān)電源中，用作功率開關(guān)管的MOSFET幾乎全部都是N溝道增強(qiáng)型器件。這是因?yàn)镸OSFET是一種依靠多數(shù)載流子工作的單極型半導(dǎo)體器件，不存在二次擊穿和少數(shù)載流子的存儲時間問題，所以具有較大的安全工作區(qū)，良好的散熱穩(wěn)定性。MOSFET用在開關(guān)電源電路中作為功率開關(guān)管，與雙極型功率晶體管相比具有一定的優(yōu)勢。所有類型的功率驅(qū)動、有源功率因數(shù)校正、功率開關(guān)都是用MOSFET來設(shè)計(jì)的。

由于MOSFET沒有少數(shù)載流子存在，極間電容極小，開關(guān)速度快，所以它適用于大功率驅(qū)動。

MOSFET的主要參數(shù)如下：

（1）漏源反向擊穿電壓V（BR）DS

漏源反向擊穿電壓就是PN結(jié)上的反偏電壓，該電壓決定了器件的最高工作電壓，在MOS結(jié)構(gòu)中，它用于衡量漏極PN結(jié)的雪崩擊穿能力。柵極電壓高低對漏溝道區(qū)反向偏置耗盡型電場的分布電荷有決定作用。V（BR）DS是隨著溫度變化而變化的，在一定溫度范圍內(nèi)，PN結(jié)溫度每升高10℃，V（BR）DS值將增加1%。所以結(jié)溫上升，MOSFET的耐壓上升，這是該管的最大優(yōu)點(diǎn)，而雙極型晶體管則是相反。

（2）最大漏極電流IDmax

在MOSFET工作曲線上，當(dāng)工作電流輸出達(dá)到最大值，輸出特性曲線進(jìn)入飽和區(qū)，這時漏極電流最大值為IDmax。漏極電流越大，MOSFET溝道越寬。

（3）導(dǎo)通電阻RON

導(dǎo)通電阻是MOSFET的一個重要參數(shù)。決定RON有兩個主要因素：一個是溝道電阻rc，另一個是漂移電阻rd。改變PN結(jié)的結(jié)構(gòu)和幾何尺寸，可以改變溝道電阻rc和漂移電阻rd。

導(dǎo)通電阻RON是決定開關(guān)電源輸出損耗和MOSFET功耗的主要因素，RON小、V（BR）DS高的MOSFET就是優(yōu)質(zhì)MOSFET。RON與溫度呈線性關(guān)系，受溫度影響也大，制作的開關(guān)電源的效率低。

（4）跨導(dǎo)gm

跨導(dǎo)是指MOSFET的漏極輸出電流變化量ΔID與柵源極間電壓的變化量ΔVGS之比：gm=ΔID/ΔVGS。

跨導(dǎo)gm這一參數(shù)是對MOSFET漏極控制電流的控制能力的重要量度，gm越大，MOSFET性能越好。

（5）開通時間ton和關(guān)斷時間toff

我們知道，場效應(yīng)晶體管是依靠多數(shù)載流子傳導(dǎo)電流的，影響開關(guān)速度的主要因素是器件的輸入電阻Rin和輸入電容Cin，這兩個參數(shù)是影響器件開關(guān)速度的主要因素，為了提高開關(guān)速度，必須盡最大努力減小MOSFET的各種極間電容，一般VMOS器件的開關(guān)速度比場效應(yīng)晶體管和雙極型晶體管要高很多。

（6）最高工作頻率fmax

場效應(yīng)晶體管工作頻率越高，開關(guān)電源輸出電壓越高，效率越高。為了提高器件的工作頻率，一般器件采用高散射極限速度和高遷移率的材料制造，這樣可以提高跨導(dǎo)gm，降低極間電容，這為提高器件工作頻率創(chuàng)造了條件。

2.1.2 MOSFET驅(qū)動電路及要求

降低開關(guān)電源的損耗和實(shí)現(xiàn)真正完整的信號傳遞，驅(qū)動電路在這里起關(guān)鍵作用，場效應(yīng)晶體管主要采用如下的驅(qū)動方式：

（1）直接驅(qū)動

圖2-1所示用晶體管驅(qū)動MOSFET。為了使驅(qū)動電路獲得較大的增益和工作在較寬的頻帶，減少晶體管VT1、VT2在開關(guān)狀態(tài)下的上升和下降時間，該電路的特點(diǎn)是對場效應(yīng)晶體管VT3的柵極電容C1充電，這樣產(chǎn)生密勒效應(yīng)向VT3提供足夠大的開通和關(guān)斷的電流，使場效應(yīng)晶體管不產(chǎn)生誤動作。

（2）變壓器驅(qū)動

利用變壓器驅(qū)動是電子電路最常見的一種驅(qū)動方式，對開關(guān)電源電路，常用在推挽式和橋式電路。圖2-2是利用變壓器耦合驅(qū)動混合式電路，R1、R3是晶體管VT1集電極電流和場效應(yīng)晶體管VT3漏極電流的限流電阻并具有抑制振蕩、加速晶體管開關(guān)的作用。由于變壓器TR的極性關(guān)系，場效應(yīng)晶體管VT3處于反向工作狀態(tài)，即VT3截止時，VT1導(dǎo)通。圖中VT1、VT2組成射極跟隨器。R2、R4是VT3柵極電位鉗制電阻，可防止寄生振蕩，并產(chǎn)生電壓負(fù)反饋。另外，MOSFET在開關(guān)電路中得到廣泛應(yīng)用，是因?yàn)樗墓ぷ黝l率比較高。但是這樣的結(jié)果，容易產(chǎn)生寄生振蕩，在設(shè)計(jì)制作開關(guān)電源時必須注意：第一，減少M(fèi)OSFET各接點(diǎn)連接線的長度。第二，由于MOSFET的輸入阻抗高，防止電路出現(xiàn)正反饋而引起振蕩。開關(guān)電路對場效應(yīng)晶體管的控制實(shí)質(zhì)是對輸入電容Cin的充、放電控制，所以驅(qū)動電路無需不間斷地提供電流，因此要求電源輸出內(nèi)阻要小。第三，MOSFET的柵源極的耐壓是有限的，如果輸入電壓超過了額定值，就會擊穿，所以要求輸入電壓在20～30V之間。

2.1.3 絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的特性及主要參數(shù)

絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是一種電流控制器件。為了提高IGBT工作頻率，設(shè)計(jì)電路時，工作在準(zhǔn)飽和狀態(tài)，所謂準(zhǔn)飽和狀態(tài)是指工作點(diǎn)在深飽和與放大區(qū)之間一個區(qū)域。若準(zhǔn)飽和區(qū)工作電流增益開始下降，但電路依然是源極處于正偏置，漏極處于反偏置，這樣開關(guān)速度大大提高。

IGBT是一種大電流密度、電壓激勵場效應(yīng)控制器件，是美國GE公司于20世紀(jì)90年代中期推出的耐高壓、大電流模塊化可控的第三代產(chǎn)品。它最高耐壓可達(dá)1800V、電流容量達(dá)450A、關(guān)斷時間低于0.2μs，在電力、通信領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

其主要性能如下：

1）電流密度大，是MOSFET的幾十倍。

2）輸入阻抗高，柵極驅(qū)動電流小，驅(qū)動電路簡單。不需外加限流，防自激振蕩，自觸發(fā)。

3）擊穿電壓高，安全工作區(qū)大，能防止和抑制瞬態(tài)干擾時出現(xiàn)的大電流沖擊。

4）導(dǎo)通電阻低。在相等的芯片尺寸和相同V（BR）DS的條件下，IGBT的導(dǎo)通電阻RDS（on）只有MOSFET的10%。

5）開關(guān)速度快，關(guān)斷時間短，損耗低。1kVIGBT，它的關(guān)斷時間只有1μs，一般關(guān)斷時間只有0.2μs，開關(guān)頻率為100kHz時，IGBT的功率損耗只有MOSFET的30%。

IGBT是在MOSFET的PN結(jié)層面上再焊接一層PN結(jié)，結(jié)的層數(shù)加多，而且傳導(dǎo)面積加大，使P區(qū)向N區(qū)發(fā)射的載流子增多，而且載流子在緩沖區(qū)停留的時間縮短，這就是它的電流密度大、擊穿電壓高、導(dǎo)通電阻低的原因。IGBT與一般晶體管的伏安特性曲線一樣，有飽和區(qū)、阻斷區(qū)（截止區(qū)）、有源區(qū)（放大區(qū)），如圖2-3所示，同樣與晶體管的開關(guān)波形相似，如圖2-6b所示，MOSFET與IGBT的特性比較見表2-1。

2.1.4 IGBT驅(qū)動電路

IGBT驅(qū)動方式有隔離式和直接式兩種。直接式是驅(qū)動電路直接與主電源電路連接。圖2-4所示的VT2、VT3組成推挽式前置放大器，R8、C2組成微分電路，加速IGBT（VT4）的關(guān)斷和導(dǎo)通，提高開關(guān)速度，降低驅(qū)動損耗。圖2-4所示為浮動開關(guān)晶體管隔離式驅(qū)動電路。它的工作過程是這樣的：當(dāng)變壓器TR的二次側(cè)出現(xiàn)正脈沖電壓Vg時，這時柵極驅(qū)動電流Ig1流進(jìn)驅(qū)動IGBT（VT2）的柵極，使之導(dǎo)通，電阻R1將流入IGBT的電流限制在額定范圍內(nèi)，集電極電流Id迅速地給電容C2充電，充電電壓為

Vc=Vg-Vge-Vd

式中，Vg是變壓器二次電壓，也稱驅(qū)動電壓；Vge為IGBT的柵極-發(fā)射極的飽和電壓；Vd是二極管的正向偏置電壓，一般為0.7V。

如果變壓器的二次電壓為零時，則電容器C2使VT2的柵極經(jīng)電阻R1、L2處于正向偏壓，使VT2導(dǎo)通，這時把VT1的柵極接到負(fù)電位，因而柵極電流Ig2得到提高，如圖2-5所示。Ig2的大小由電容容抗和電路阻抗及IGBT（VT1、VT2）的特性來決定。凡是IGBT電路，不管哪種驅(qū)動方式，柵極的驅(qū)動電流波形極為重要，什么波形為最好呢？好的柵極觸發(fā)波形，不但是保護(hù)好IGBT，使之延長管子的使用壽命，更重要的降低電路電能損耗，提高電源效率。

IGBT輸入柵極的脈沖信號，希望是矩形波，跟晶體管基極輸入波形一樣并且要求上升沿豎直，下降沿陡峭，要求存儲時間ts越短越好。

2.1.5 晶體管的開關(guān)時間與損耗

晶體管的開關(guān)作用與晶體管的放大作用是不同的。放大只是對電流或電壓的作用，在共發(fā)射極電路中，輸出波形與輸入波形之間有180°的相位差；而對于晶體管的開關(guān)作用，雖然輸出與輸入波形之間有180°的相位差，但它的波形不是一個正弦波或三角形，而是一個被時間拖延了的矩形波。為了表述它的波形特征，引入了4個時間參數(shù)。圖2-6所示就是4個時間參數(shù)的開關(guān)波形。

1）延遲時間td：從輸入信號Vin開始變正起到集電極電流IC上升到最大值ICM的10%所需要的時間。

2）上升時間tr：集電極電流IC從10%ICM上升到90%ICM所需的時間。

3）存儲時間ts：從輸入信號Vin開始變負(fù)起到集電極電流IC下降到90%ICM所需要的時間。

4）下降時間tf：集電極電流IC從90%ICM下降到10%ICM所需要的時間。

根據(jù)實(shí)際，晶體管有兩個時間參數(shù)，即開啟時間和關(guān)斷時間。開啟時間為ton=td+tr，關(guān)斷時間為toff=ts+tf。在晶體管的4個時間參數(shù)中，存儲時間最長，它最決定開關(guān)速度的主要因素。

晶體管作為開關(guān)應(yīng)用時，在每一個周期內(nèi)，晶體管工作在3個不同區(qū)域，即放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)。因此，晶體管的功率損耗也由3部分構(gòu)成：

1）通態(tài)損耗。當(dāng)晶體管飽和導(dǎo)通時，雖然有較大的集電極電流ICES流過管子，但這時晶體管的飽和壓降VCES很小（硅管為0.3V，鍺管為0.7V），管子的功率損耗（ICESVCES）很小，變化余地不大。

2）斷態(tài)損耗。當(dāng)晶體管截止時，雖然VCE很大，但管子的漏電流ICEO很小（nA級），此時管子的損耗（VCEICEO）也是非常小的。

3）開關(guān)損耗。晶體管由飽和轉(zhuǎn)為截止，或由截止轉(zhuǎn)為飽和時的損耗稱為開關(guān)損耗。通常，這種損耗也稱為渡越損耗。在開啟和關(guān)閉這兩段時間內(nèi)，晶體管的壓降和電流都很大，因此，管耗也較大。對于高頻開關(guān)電源來說，開關(guān)管的渡越損耗占晶體管整個損耗的80%，而且與電路中的參數(shù)選擇有很大的關(guān)系。在開關(guān)電源電路中，選用晶體管的依據(jù)是型號、集電極-發(fā)射極的擊穿電壓V（BR）CEO、電流增益hFE、存儲時間ts、下降時間tf、集電極電流IC等參數(shù)。不同功率的開關(guān)電源所用晶體管見表2-2。