第四节　主要功率管的选择

功率开关部分的主要作用是把直流输入电压转换成脉宽调制的交流电压。紧接在功率开关后的这一级可以用变压器把交流波形升高或降低,最后由变换器的输出级把交流电压转换成直流。为了完成这个DC-DC变换,功率开关只工作在饱和与关断两种状态,这就可以使开关损耗尽可能小。

目前主要用到两种功率开关:双极型功率晶体管(BJT)和功率MOSFET。IGBT(绝缘栅双极型晶体管)一般用在功率更大的工业应用场合,比如功率远大于1kW的电源和电动机驱动电路。与MOSFET相比,IGBT的关断速度比较慢,所以通常用于开关频率小于20kHz的情况。

一、双极型功率晶体管

双极型功率晶体管是电流驱动型器件。为了让双极型功率晶体管像“开关”一样工作,必须使其工作在饱和或接近饱和的状态。因此基极电流要满足下式要求(同时可见图2-34)。

图2-34　PWM开关电源中双极型功率晶体管上的波形

I_B≥

其中,I_B为开通时的基极驱动电流;I_C(max)为IGBT集电极最大电流;h_FE(min)为规定的晶体管最小直流放大倍数。

晶体管的驱动有两种方式。恒基极电流驱动如图2-35所示,在整个导通期间都把晶体管驱动到饱和。由于集电极电流几乎总是低于设计的最大值,所以晶体管也几乎总是被过度驱动。把晶体管驱动到深度饱和,会使晶体管的关断变慢。存在时间t_s是指关断信号加至基极到集电极电流开始关断的延迟时间。在这段时间内,集射极的电压还是维持在饱和电压的水平。这样虽然不至于增加损耗,但它减小了晶体管可以工作的最大占空比。这种驱动电路能够提供快速度变化的基极电流(开通和关断),并把基极电压稍微拉负。

恒基极电流驱动电路一般从低电压源(3~5V)中取得电流。这个电压源一般是由功率变压器的一个附加绕组提供。直接串联在基极的电阻(图2-35中的R₂)在100Ω数量级,其作用是在开通和关断时限制流入基极的电流。R₂上要并100pF左右的电容,这个电容被称为基极加速电容(base speed-up capacitor)。在晶体管开通和关断时,它可以快速度提供一个正或负的浪涌电流,以减少开关时间和减小二次击穿危险及电流挤流效应。基极驱动电路的晶体管集电极上的电阻(图2-35上的R₁)进一步控制了通态基极驱动电流。基极上的电压应该用示波器检查,在关断时电压要稍微有点负值,但不能超过在集射极间的额定雪崩电压(<5V)。

图2-35　恒基极驱动电路

另一种方法称作比例基极驱动,见图2-36。这种方法是把晶体管驱动到临界饱和状态,集射极电压比固定基极电流驱动时的集射极电压高,但在这种情况下,开关时间可以在100~200ns之间,比恒基极电流驱动快5~10倍。在实际使用中,恒基极电流驱动是用在中小功率、成本低的场合,而比例基极驱动用在功率比较大的场合。

图2-36　比例基极驱动电路

最后要考虑的是基极电流要由多大的电压源提供。由于集射极与正向偏置的二极管类似,VBE的最大值在0.7~1.0V之间,因此2.5~4.0V的电压源就足够了。如果基极驱动电压太高,相应地驱动基极时的损耗也比较大。

在最初的实验板上,要仔细察看与功率晶体管相关的电压和电流的波形,同时要核实它们有没有超出SOA。这时也要修改任何可以改善开关特性的参数,因为开关损耗大约占到电源总损耗的40%。图2-35和图2-36所示的是比较常用的驱动双极型晶体管的驱动电路,供设计者参考。

二、MOSFET功率开关管

功率MOSFET是最常用的功率开关器件。在大多数场合,它的成本和导通损耗与双极型晶体管相当,开关速度却快5~10倍,它在设计中也比较容易使用。

MOSFET是电压控制电流源。为了驱动MOSFET进入饱和区,需要在栅极间加上足够的电压,以使漏极能流过预期的最大电流。栅源电压和漏极电流间的关系称作跨导,也就是g_m。功率MOSFET通常分成两类:一类是标准工资的MOSFET。这种MOSFET的V_gs大约为8~10V,以保证额定的漏极电流。另一类是逻辑电平MOSFET。这类MOSFET的V_gs只需4.0~4.5V,其漏源电压额定值较低(<60V)。

MOSFET的开关速度很快,典型值是40~80ns。要快速驱动MOSFET,就要考虑MOSFET中固有的寄生电容(见图2-37)。这些电容值在每个MOSFET产品的数据表中都会有说明,这是个非常重要的参数。C_oss也就是漏源间的电容,在漏极负载中要考虑,但与驱动电路的设计没有直接关系。C_iss和C_rss对MOSFET的开关性能有着直接的影响,影响的大小是可以计算出来的。图2-38所示的是典型的N沟道MOSFET在一个开关周期内栅极和漏极的波形。

图2-37　附有寄生电容的功率MOSFET图形符号

图2-38　MOSFET的波形

栅极驱动电压上的平台是由于漏源电压反向转换时通过密勒电容(C_rss)被耦合到栅极引起的。在这期间,栅极驱动电流的波形上可以看到一个很大的脉冲。这个平台出现在电压比额定门槛电压稍高的时候,电压值为V_TH+ID/g_m。这个平台电压也可以从MOSFET的数据手册上提供的传递函数图上确定(见图2-39)。对于粗略的估计,可以用门槛电压来代替这个平台电压。MOSFET数据手册提供的曲线见图2-39。

图2-39　典型的MOSFET数据手册上的曲线

这些电容导致MOSFET开关特性上的延时。驱动电路要求能驱动容性负载。首先,要确定使栅极电压变化时所需的电荷,这可以从图2-39中与栅极电压工作点对应的值相减得到。从下式就可以计算开关延时。

开通延时:　　　　　　　CMOS　　　双极型晶体管

开通延时t₍₁₎≈,t₍₁₎=

上升时间t₍₂₎≈,t₍₂₎=

t₍₃₎≈,t₍₃₎=

R_eff(OL)=

关断延时:

CMOS　　　双极型晶体管

关断延时t₍₃₎≈,t₍₃₎=

下降时间t₍₂₎≈,t₍₂₎=

t₍₁₎≈,t₍₁₎=

R_eff(OH)=

基于双极型器件的驱动电路比基于CMOS器件的驱动电路更可能提供MOSFET栅极所需的的电流脉冲。基于CMOS器件的驱动电路工作起来是一个电流受限的输入输出源。开关速度是通过在驱动电路和栅极间串上一个电阻来控制的。在开关电源中,如果要求比较快的开关速度,建议不用大于27Ω的电阻,因为它会使开关速度下降,开关损耗明显增加。

MOSFET驱动电路见图2-40。

图2-40　MOSFET驱动电路

三、IGBT功率开关管

IGBT是功率MOSFET和双极型晶体管组成的复合器件,其内部示意图见图2-41。

图2-41　IGBT内部示意图

IGBT比起MOSFET的优越性在于它可以节约硅片的面积,及具有双极型晶体管电流的特性。但它也有两个缺点:由于有两个串联的PN结,它的饱和压降比较高,另外,IGBT有比较长的拖尾电流,会增加开关损耗。拖尾电流使它的开关频率限制在20kHz以下。因其开关频率刚好超过人的听觉范围,所以把它用在驱动工业电动机上很理想。

IGBT已经成为很多半导体公司的研究目标,它的拖尾时间也已经大缩短了。原先,拖尾时间大约5μs,现在大约只有100ns,而且还将继续缩短。饱和电压也从大约4V降低到2V。虽然在低电压DC-DC变换器中,IGBT的使用还成问题,但在离线式和工业大功率变换器上有很大的需求。作为作者个人判断,在输入电压大于AC 220V、功率大于1kW场合下,可考虑用IGBT。

IGBT与MOSFET有相同的栅极驱动特性,MOSFET的驱动IG用在IGBT上也可以很好地工作。