電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)資料

與設(shè)計(jì)方法類轉(zhuǎn)換器定義與原理?yè)Q器變壓器－－扼流圈器的變壓型式器的變化型式3.4推挽式轉(zhuǎn)換器的變化型式3.6新型式無(wú)漣波輸出的轉(zhuǎn)換器4.2雙極式功率電晶體的開(kāi)關(guān)作用4.3雙極式電晶體交換時(shí)間的定義(電阻性負(fù)載)4.4電感性負(fù)載交換時(shí)間的關(guān)系晶體反飽和電路4.6雙極式電晶體基極驅(qū)動(dòng)電路的方法基極驅(qū)動(dòng)4.7雙極式電晶體二次崩潰的考慮4.9.5MOSFET的安全操作區(qū)(SOA)5.4鐵心材料與幾何形狀的選擇5.5脈波寬度調(diào)變的半橋式轉(zhuǎn)換器的功率變壓器設(shè)計(jì)8一般高頻變壓器的考慮6.2轉(zhuǎn)換式電源供給器設(shè)計(jì)上功率整流器的特性6.2.4計(jì)算返馳式、順向式與推挽式轉(zhuǎn)換器整流二極體峰值電流的容許值濾波電容器的設(shè)計(jì)7.1轉(zhuǎn)換式穩(wěn)壓器系統(tǒng)的隔離方法7.2脈波寬度調(diào)變(PWM)系統(tǒng)8.3作為輸入與輸出隔離之用的光耦合器電路設(shè)計(jì)8.5.1應(yīng)用于初級(jí)參考直接驅(qū)動(dòng)的電流限制電路用于基極驅(qū)動(dòng)器的電流限制電路極體做偵測(cè)的保護(hù)電路電路偵測(cè)電路9.4回授原理與穩(wěn)定度的準(zhǔn)據(jù)量10、電磁與射頻干擾(EMI-RFI)的考慮11.2.6UL與CSA規(guī)格的變壓器溫度額定值5THESWITCHINGPOWERSUPPLY:ANOVERVIEW1.0概論(INTRODUCTION)由于LSI與VLSI芯片技術(shù)的快速成長(zhǎng)，尤其是在微處理機(jī)與半導(dǎo)體記憶器的發(fā)展上，使得電子產(chǎn)品在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，朝向高密度化、重量輕、效率高及低價(jià)格的方向。以往電源系統(tǒng)是以線性串聯(lián)穩(wěn)壓器方式來(lái)做設(shè)計(jì)，對(duì)現(xiàn)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上來(lái)說(shuō)，它不僅重量重，體積大，無(wú)效率，且是一種落伍的設(shè)計(jì)。而目前的趨勢(shì)是朝向體積小，重量輕，高效率的電源系統(tǒng)來(lái)最近幾年來(lái)，由于功率半導(dǎo)體，控制電路與被動(dòng)組件的快速研究發(fā)展，使得轉(zhuǎn)換式電源供給器目前己被大量生產(chǎn)，不僅在可靠度上大大提高，而且價(jià)格上也漸漸下降。因此，我們有必要要轉(zhuǎn)換式電源供給器的設(shè)計(jì)上予以深切明了，提升電子技術(shù)的新領(lǐng)域與新的境界。1.1非線上轉(zhuǎn)換式電源供給器(THEOFF-THE-LINESWITCHINGPOWERSUPPLY)k順向式(forward)，而以那種方式來(lái)做設(shè)計(jì)，主要取決于它的價(jià)格、性能及設(shè)計(jì)者的選擇。不管設(shè)計(jì)SCRkHz就可獲得低電壓電流輸出。不管是輸入電壓有無(wú)變化或是輸出負(fù)載有無(wú)變動(dòng)，我們都必須保持輸出直流電壓的穩(wěn)定，因此需將此輸出電壓予以監(jiān)視，并將信號(hào)回授至控制邏輯電路，如此才能達(dá)到穩(wěn)壓效果。此控制邏輯電路的作用就是將輸出電壓與參考電壓做比較，并調(diào)整轉(zhuǎn)換組件的導(dǎo)通周期，由于轉(zhuǎn)換組件所切割出來(lái)的是高頻方波信號(hào)，因此在陡峭的上升時(shí)間(risetime)與下降時(shí)間(falltime)它儀器設(shè)備有所干擾，因此一臺(tái)好品質(zhì)的轉(zhuǎn)換式電源供給器，就必須在AC交流電源輸入端裝上射本書(shū)會(huì)將轉(zhuǎn)換式電源供給器每一結(jié)構(gòu)部份，詳細(xì)予以解析，其主要目的就是讓讀者在融會(huì)貫通之后，有能力去設(shè)計(jì)可靠度高、價(jià)格低、效率高的轉(zhuǎn)換式電源供給器。61.2電源供給器專有名詞(POWERSUPPLYTERMINOLOGY)我們將對(duì)轉(zhuǎn)換式電源供給器常用的專有名詞解釋如下：橇桿電路(crowbarcircuit)：應(yīng)用于電源供給器輸出端的保護(hù)電路，以防電壓情況發(fā)生。電磁-射頻干擾(EMI-RFI)：電磁干擾(electromagneticinterference)與射頻干擾(radiofrequency持住時(shí)間(hold-uptime)：一般指移去AC輸入電壓而輸出電壓仍維持穩(wěn)定值的繼續(xù)時(shí)間，此持住時(shí)突波電流限制器(inrushcurrentlimiting)：屬于保護(hù)電路的一種，用來(lái)限制當(dāng)電源啟動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的峰值線電流。避免濾波電容在滿電荷情況下，損失多余之功率。ge或直流電壓亦需適用于電源供給器的輸入端與輸出端之間。線穩(wěn)壓率(lineregulation)：當(dāng)負(fù)載與周?chē)鷾囟缺３植蛔兦闆r下，AC交流輸入在一定的百分比(一般在±10%)變化下，而在輸出端電壓的變化率。負(fù)載穩(wěn)壓率(loadregulation)：當(dāng)線電壓與周?chē)鷾囟缺３植蛔兦闆r下，輸入電壓不變而輸出電壓從不加負(fù)載到全載所產(chǎn)生的電壓變化百分比。kes非線上電源供給器(off-the-linepowersupply)：也就是一般所稱的轉(zhuǎn)換式電源供給器，輸入交流信號(hào)直接做整流與濾波，不使用低頻的隔離變壓器。輸出暫態(tài)響應(yīng)(outputtransientresponse)：在指定的穩(wěn)壓限制范圍內(nèi)，將輸出負(fù)載電流做步級(jí)改變，觀察輸出電壓維持固定值所需之時(shí)間。用于保護(hù)電源供給器免于受損。遙遠(yuǎn)偵測(cè)(remotesensing)：當(dāng)其負(fù)載與轉(zhuǎn)換式電源供給器成一距離時(shí)，我們就要考慮到此連接線的內(nèi)阻抗是否會(huì)使正常的輸出電壓產(chǎn)生壓降，而無(wú)法使系統(tǒng)正常工作，通常是用I2R公式來(lái)計(jì)算。softstart周期le72、電源輸入部份(THEINPUTSECTION)2.0雙倍電壓的技巧(THEVOLTAGEDOUBLERTECHNIQUE)在前章我們己經(jīng)提到過(guò)轉(zhuǎn)換式電源供給器，其輸入的AC交流電壓信號(hào)，直接予以整流即可，并不需要在輸入端與整流器之間，使用到低頻的隔離變壓器。由于目前制造商對(duì)其電子產(chǎn)品都追求國(guó)際化，紛紛打入國(guó)際市場(chǎng)，因此從事電源供給器的設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，就必須明了國(guó)際間目前使用的輸在圖2-1所示為雙倍電壓之電路，當(dāng)開(kāi)關(guān)S置于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，它可操作于115伏特交流電壓下，1半周期間是經(jīng)由二極體D與D所整流，同理在負(fù)半周時(shí)，經(jīng)由二極體D與D的整流，電容器C12342D2.1零件選擇與設(shè)計(jì)方法(COMPONENTSELECTIONANDDESIGNCRITERIA)2.1.1輸入整流器(InputRectifiers)當(dāng)我們選擇使用橋式整流器時(shí)，不管是整體包裝的或是由分離組件來(lái)組成，設(shè)計(jì)者都需考慮到1.最大順向整流容許值：此值是依轉(zhuǎn)換式電源供給器所設(shè)計(jì)的功率大小來(lái)決定，所選擇的二極體至少要能承受所計(jì)算出來(lái)的二倍穩(wěn)態(tài)電流值。2.峰值逆向電壓(PIV)阻隔值：由于輸入部分所使用的整流器都是在較高電壓狀態(tài)，因此在選擇二極體時(shí)，需考慮其峰值逆向電壓(PIV)的額定值，一般都在600伏特以上。3.另外需考慮具有較高的突波電流容許值，避免開(kāi)關(guān)在打開(kāi)瞬間，其峰值電流破壞二極體。2.1.2輸入濾波電容器(InputFilterCapacitors)要如何正確地計(jì)算與選擇輸入濾波電容器是一項(xiàng)重要的課題，對(duì)以下一些性能參數(shù)值會(huì)有所影輸出的低頻交流漣波(ripple)與保持時(shí)間(holdovertime)。一般來(lái)說(shuō)高品質(zhì)的電解電容器就具有好的濾漣波電流容許能力，以及低的ESR值，此時(shí)電解電容器至少工作于200V電壓下。在圖2-1中電阻R與R，與電容器互相并聯(lián)，其作用是當(dāng)開(kāi)關(guān)電源關(guān)閉時(shí)，提供電容器放45下：ItC=(2-1)C：電V容器，單位μF(微法拉)I：負(fù)載電流，單位A(安培)△V：容許的峰對(duì)峰漣波值，單位V(伏特)。P50P=out==71.5Winn0.7現(xiàn)在假設(shè)我們?cè)O(shè)計(jì)所能容許的峰對(duì)峰漣波值為30V，而且電容器在每一半周情況下必須能維持電我們可選用電容器一般標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格值50μF92.2輸入保護(hù)組件(INPUTPROTECTIVEDEVICES)2.2.1突波電流(InrushCurrent)如果設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換式電源供給器時(shí)，在輸入部份沒(méi)有加入電流限制裝置的話，一般來(lái)說(shuō)，電源供給器在打開(kāi)瞬間都會(huì)有極大的峰值突波電流，而這些電流造成之因，乃由于濾波電容器之充電而引起，在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，交流線源上就會(huì)呈現(xiàn)非常低的阻抗值，其大小約等于ESR值。因此，線路中若沒(méi)有保護(hù)組件的話，其突波電流甚至可高達(dá)數(shù)百安培，這是非常危險(xiǎn)的。為了解決突波電流至安全值范圍，以及開(kāi)關(guān)在導(dǎo)通時(shí)交流線源上阻抗值問(wèn)題，我們一般常用以里。波電流限制之目的，需將電阻c散熱方面的處理，需多加留意。熱阻體的方法：使用負(fù)溫度系數(shù)(NTC)的熱阻體，可置于交流線源上或是置于橋式整流器的直在圖2-2中為NTC熱阻體的電阻-溫度特性曲線與溫度系數(shù)α的關(guān)系，當(dāng)電源供給器開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，經(jīng)由交流線源上的阻抗值就是熱阻體的電阻值了，如此就可達(dá)到限制突波電流的目的。當(dāng)電容器開(kāi)始充電時(shí)，電流開(kāi)始流經(jīng)熱阻體，此時(shí)熱阻體就會(huì)有發(fā)熱現(xiàn)象產(chǎn)生，由于本身又具有負(fù)溫度系數(shù)之特性，所以熱阻體溫度升高，其電阻值反而下降了。至于若能正確地選擇熱阻體，在穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流下，其電阻值將會(huì)最小，而且也不會(huì)影響到整個(gè)電源供給器的效率。ltageProtectionkV我們由感應(yīng)交換的電壓波尖可得知其儲(chǔ)存的能量為W=LI22來(lái)將輸入整流器轉(zhuǎn)換電晶體嚴(yán)重破壞。大多數(shù)應(yīng)用于此種情況的抑制組件為金屬氧化變阻體(metaloxidevarisorMOV)暫態(tài)電壓抑制器，如圖2-1所示，它裝置于交流線的輸入端。此種組件其作用就如同是一個(gè)可變的阻抗，當(dāng)暫態(tài)在此暫態(tài)期間能量是消耗在變阻體上，以下有幾個(gè)步驟是指導(dǎo)如何正確地選擇所需的變阻體組件：2.計(jì)算或估測(cè)電路中可能遇到的最大暫態(tài)能量有多少焦耳。3.最后要確定此組件的最大峰值突波電流的額定值大小。以上這三點(diǎn)的額定值若確定無(wú)誤后，我們就可以從制造廠商的資料手冊(cè)中，查出所需的金屬氧3、電源轉(zhuǎn)換器的種類(TYPESOFPOWERCONVERTERS)3.0各類轉(zhuǎn)換器定義與原理(DEFINITIONSANDDIMENSIONING)雖然有很多作者與研究人員創(chuàng)造研究出很多種類的轉(zhuǎn)換器電路，但是追根究底還是可歸納出三t向式(forward)”或者稱為“buck”型式，第三種稱為“推挽式(push-pull)”或是稱為“buck-derived”型式，在圖3-1中，就是返馳式轉(zhuǎn)換器的基本電路模型，其操作原理說(shuō)明如下。aSL由于電壓極性的關(guān)系，二極體D是在逆向偏壓狀態(tài)，此時(shí)負(fù)載電阻R上就沒(méi)有電壓輸出，當(dāng)開(kāi)關(guān)SL環(huán)路中則有I感應(yīng)電流產(chǎn)生，因此負(fù)載R上的輸出電壓其極性正好與輸入電壓相反，由于開(kāi)關(guān)CLF電流都是屬于脈動(dòng)電流形式，所以在buck-boost轉(zhuǎn)換器電路中，當(dāng)開(kāi)關(guān)是在導(dǎo)通周期時(shí)，能量是儲(chǔ)存于電感器里，反之，當(dāng)開(kāi)關(guān)是在打開(kāi)(OFF)周期時(shí)，能量會(huì)轉(zhuǎn)移至負(fù)載上。在圖3-2為順向轉(zhuǎn)換器基本電路型式，其操作原理說(shuō)明如下，當(dāng)開(kāi)關(guān)S關(guān)閉時(shí)，電流就會(huì)順向場(chǎng)，二極體D則為順向偏壓狀態(tài)，因此在電容器C中就會(huì)有電流流過(guò)，因此在負(fù)載RL上輸出電壓由于此種轉(zhuǎn)換動(dòng)作，使得輸出電源是一種連續(xù)形式而非脈動(dòng)電流形式，相對(duì)的由于開(kāi)關(guān)S在ON/OFF之間改變，所以輸入電流則為不連續(xù)形式，也就是所謂的脈動(dòng)電流形式。操作于互相推挽的動(dòng)作狀態(tài)，開(kāi)關(guān)S與S互相在ON/OFF狀態(tài)間互相交換，此種電路一般也稱之為123.1隔離返馳式轉(zhuǎn)換器(THEISOLATEDFLYBACKCONVERTER)在圖3-1中的返馳式轉(zhuǎn)換器，其輸入與輸出間，并沒(méi)有安全的隔離裝置，一般在轉(zhuǎn)換式電源供給器里常用的隔離組件是變壓器(transformer)。更正確的來(lái)說(shuō)，雖然在電路圖中出現(xiàn)是變壓器形式，的操作原理如下說(shuō)明，當(dāng)電晶體Q1導(dǎo)通時(shí)，變壓器的初級(jí)繞組漸漸地會(huì)有初級(jí)電流流過(guò)，并將能量?jī)?chǔ)存于其中，由于變壓器-扼流圈的輸入與輸出繞組，其極性是相反的，因此二極體被逆向偏壓，此時(shí)沒(méi)有能量轉(zhuǎn)移至負(fù)載。當(dāng)電晶體不導(dǎo)通時(shí)，由于磁場(chǎng)的消失導(dǎo)致繞組的極性反向，此時(shí)二極體D會(huì)被導(dǎo)通，輸出電容器C會(huì)被充電，負(fù)載R上有I電流流過(guò)。LLVV由于此種隔離組件的動(dòng)作就像是變壓器與扼流圈，因此在返馳式轉(zhuǎn)換器輸出部分，就不需要額外的電感器了，但是在實(shí)際電路應(yīng)用中，為了抑制高頻的轉(zhuǎn)換雜訊波尖，我們還是會(huì)在整流器與輸出電容器之間加裝小型的電感器。3.1.1返馳式轉(zhuǎn)換器交換電晶體(TheFlybackConverterSwitchingTransistor)F所需要承受的電壓大小 nn值大小。因此相對(duì)地工作周期就必須保持在低值范圍，也就是<0.5V另一項(xiàng)要設(shè)計(jì)選擇的就是電晶體在ON時(shí)的集極工作電流，也就是或是L=Vin6或是L=Vin6maxILfPout=|n=nVin6maxILII=LnLnL我們亦可用轉(zhuǎn)換器的輸出功率與輸入電壓，來(lái)表示集極的峰值工作電流，其公式導(dǎo)出如下，在扼流圈中能量轉(zhuǎn)移的公式可表示如下式eta換器的效率。LdiVin=dtVin=Vin=6xI=I=out求解上式可得可用輸出功率與輸入電壓來(lái)表示CnVin6maxI=2CnVin6maxII=outCV(3-9)in3.1.2返馳式轉(zhuǎn)換器變壓器－－扼流圈(TheFlybackConverterTransformer-Choke)由于返馳式轉(zhuǎn)換器的變壓器－－扼流圈，其僅在B-H特性曲線的單一方向來(lái)做轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)，因此在設(shè)計(jì)變壓器－－扼流圈時(shí)，不可設(shè)計(jì)于飽和工作狀態(tài)，在第五章我們會(huì)有較詳細(xì)的分析與設(shè)計(jì)。鐵心(core)，需有較大的體積并且有空氣間隙(airgap)。有效的變壓器－－扼流圈的體積大小為在此IB我們?cè)谶x擇相對(duì)導(dǎo)磁率時(shí)，必須選擇足夠大，以避免鐵心會(huì)有溫度升高的情形發(fā)生，也由于對(duì)(VariationsoftheBasicFlybackConverter)當(dāng)我們提到基本的返馳式電路時(shí)，轉(zhuǎn)換電晶體在轉(zhuǎn)換成不導(dǎo)通(turn-off)狀態(tài)時(shí)，其集極電壓必須承受至少二倍的輸入電壓。因此對(duì)商業(yè)上使用圖3-5的電路，它是由二個(gè)電晶體所組成的返馳式轉(zhuǎn)換器電路。此二個(gè)電晶體在ON或OFF狀態(tài)時(shí)，會(huì)同時(shí)一起作用，二極體D與D的動(dòng)作就如定12D使用返馳式電路的優(yōu)點(diǎn)就是非常簡(jiǎn)單，因此對(duì)轉(zhuǎn)換式電源供給器來(lái)說(shuō)，它可達(dá)到多重輸出的目的，此乃隔離組件對(duì)所有的輸出，其動(dòng)作狀態(tài)就如一個(gè)共有的扼流圈。因此對(duì)每一個(gè)輸出部份，僅3.2隔離順向式轉(zhuǎn)換器(THEISOLATEDFORWARDCONVERTER)幾分相似，但是實(shí)際研究它，此二電路之間在原理操作上還是有明顯的不同，在圖3-7所示，就是基本的順向式轉(zhuǎn)換器電路，與電路波形。由于順向式轉(zhuǎn)換器中所使用的隔離組件，乃是一個(gè)真正的變壓器，因此為了獲取正確有效的能量轉(zhuǎn)移，必須在輸出端有電感器，做為次級(jí)感應(yīng)的能量?jī)?chǔ)存組件。而變壓器的初級(jí)繞組與次級(jí)繞組gsON繞組有相同的極性，此能量就會(huì)順向轉(zhuǎn)移至輸出，且同時(shí)經(jīng)由順向偏壓二極體D，儲(chǔ)存于電感器L2D2二極體此時(shí)就處于偏壓的狀況，此時(shí)飛輪二極體(flywheeldiode)D3則為順向偏壓，在輸出回路上有導(dǎo)通電流流過(guò)，并經(jīng)由電感器L，將能量傳導(dǎo)至負(fù)載上。nI=L3.2.1順向式轉(zhuǎn)換器交換電晶體(TheForwardConverterSwitchingTransistor)壓被限制為VCEmaxVin(3-12)我們?cè)賮?lái)看看圖中的波形，當(dāng)電晶體在ON時(shí)，集極電流值的大小，就相當(dāng)于返馳式轉(zhuǎn)換器的集極電流值，再加上凈磁化電流值，因此，集極的峰值電流，可寫(xiě)成下式CnL在此n：初級(jí)對(duì)次級(jí)的圈數(shù)比I：輸出電感器的電流，AL吾入得知outnV=nVoutin6maxInTVI=L+InTVCnL假設(shè)磁化電流部份(nTVout)/L與集極峰值電流比較下其值非常小，可予以忽略，此時(shí)IC電流值的大小就與3-1-1節(jié)所導(dǎo)出來(lái)的I值相同CI=I=L=outCCnV3.2.2順向式轉(zhuǎn)換器變壓器(TheForwardConverterTransformer)在設(shè)計(jì)順向式轉(zhuǎn)換器的變壓器時(shí)，需多加留意選擇適合的鐵心大小與鐵心的空氣間隙，以防鐵心被飽和了。在第五章里我們會(huì)有變壓器的公式，來(lái)設(shè)計(jì)出適合的順向式變壓器。變壓器的鐵心大在此Imag=L另外需注意的是電晶體開(kāi)關(guān)δ的工作周期需保持低于百分之五十以下，將會(huì)破壞伏特—秒(volt-seconds)積分作用的平衡，使得變壓器趨于飽和狀態(tài)，也會(huì)產(chǎn)生極高的集極電流波尖，而破壞了轉(zhuǎn)換電晶體。雖然變壓器的第三繞組與二極體的定位動(dòng)作，能夠限制電晶體的集極峰值電壓至二倍的輸入直流電壓，但是有一點(diǎn)需留意的是，在繞制變壓器時(shí)，需將第三繞組與初級(jí)繞組緊密來(lái)繞制(使用雙線繞法)，如此方可減少由漏電感產(chǎn)生的致命電壓波尖。3.2.3基本順向式轉(zhuǎn)換器的變化型式(VariationsoftheBasicForwardConverter)如同在返馳式轉(zhuǎn)換器的情況，由于輸入電壓過(guò)高，電晶體承受較大的耐壓值，因此改用二個(gè)電nn順向式轉(zhuǎn)換器亦可應(yīng)用于多重輸出的電路中，不過(guò)在每一輸出部份都需要有額外的二極體與扼流圈。在此需注意的是飛輪二極體至少要與主要的整流二極體有一樣的電流額定值，這是因?yàn)楫?dāng)電3.3推挽式轉(zhuǎn)換器(THEPUSH-PULLCONVERTER)時(shí)，推挽式轉(zhuǎn)換器會(huì)將功率傳導(dǎo)至負(fù)載上，所以此種轉(zhuǎn)換器更正確地來(lái)說(shuō)應(yīng)該稱呼為推推轉(zhuǎn)換器-10中，就是基本傳統(tǒng)的推挽式電路結(jié)構(gòu)與它的電路波形圖。由于它有二個(gè)轉(zhuǎn)換電晶體與輸出二極體，由波形中觀察得知，在每一組中的平均電流都被減少至百分之五十，此大過(guò)于等效的順向轉(zhuǎn)換器。在電晶體導(dǎo)通期間，二極體D與D同時(shí)導(dǎo)通，會(huì)將隔離變壓器的次級(jí)短路，并將功12此轉(zhuǎn)換器的輸出電壓可導(dǎo)出如下nmaxmaxmaxmaxV n1推挽式轉(zhuǎn)換器變壓器(ThePush-PullConverterTransformer)在前面我們所討論的返馳式與順向式轉(zhuǎn)換器中，其變壓器僅利用到B-H特性曲線一半部份，因此鐵心就較為笨大而且有空氣間隙，假定在推挽式轉(zhuǎn)換器的二個(gè)電晶體，其導(dǎo)通時(shí)間相同，則變壓器就會(huì)使用到B-H曲線的各半部，如此鐵心的大小僅需返馳式或順向式的一半即可，而且空變壓器的體積大小可由下面公式求得在第3章中，將繼續(xù)對(duì)以推挽式為基底的轉(zhuǎn)換器有更深入的設(shè)計(jì)分析。OFF電壓被限制為maxVin每一電晶體的集極峰值電流為IIC=+Imag(3-24)magLmagLII=I=Ln3-2-1節(jié)所示，導(dǎo)出電晶體集極工作電流，以輸出功率、效率與工作周期來(lái)表示之，如下：I=Pout(3-26)Cn6maxVin假設(shè)轉(zhuǎn)換器的效率η＝0.8，工作周期δmax＝0.8，則電晶體集極工作電流為CVIPoutCV3.3.3推挽式電路的限制(LimitationsofthePush-PullCircuit)雖然推挽式轉(zhuǎn)換器提供了一些優(yōu)點(diǎn)，如非隔離的基極驅(qū)動(dòng)與較簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路，但是它也有一些缺點(diǎn)，使得非線上的轉(zhuǎn)換器在使用上變得較為不實(shí)際。第一個(gè)就是有關(guān)電晶體電壓額定值的限制，也就是電晶體需能承受轉(zhuǎn)換器二倍的輸入電壓，再了，這對(duì)高功率轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，的確是一個(gè)令人傷腦筋的問(wèn)題，因?yàn)橐哂懈唠娏?，高電壓的電晶體并不普通而且價(jià)格上也非常貴。對(duì)推挽式電路來(lái)說(shuō)，圖3-11也顯示出第二個(gè)較為嚴(yán)重的問(wèn)題，也就是變壓器的鐵心飽和方向移動(dòng)。為了使這二個(gè)區(qū)域的磁通密度能夠相等，在所有工作情況與溫度下，轉(zhuǎn)換電晶體的飽和BH上發(fā)生“磁通這些過(guò)大的電流波尖在電晶體中會(huì)造成很大的功率損失，使得電晶體會(huì)有發(fā)燙現(xiàn)象產(chǎn)生，電晶體特性會(huì)變得更不平衡，鐵心更容易趨于飽和狀態(tài)，且產(chǎn)生更高的飽和電流，此種惡劣情況將連續(xù)unaway對(duì)于此種問(wèn)題有二種可能解決方法，首先我們可以增加鐵心的間隙，如此會(huì)造成漏電感值的增加，而且需加裝會(huì)消耗功率的箝制器，因此所花費(fèi)的代價(jià)就是降低了轉(zhuǎn)換式電源供給器的效率。另達(dá)到平衡操作，使用此種方法就是需有額外電路，因此會(huì)增加轉(zhuǎn)換器的成本與復(fù)雜性。為了減少推挽式電路的缺點(diǎn)，可使用半橋式(half-bridge)或全橋式(full-bridge)功率轉(zhuǎn)換器，對(duì)轉(zhuǎn)3.4推挽式轉(zhuǎn)換器的變化型式(CIRCUITVARIATIONSOFTHEPUSH-PULLCONVERTER)3.4.1半橋式轉(zhuǎn)換器(TheHalf-BridgeConverter)如前章節(jié)所提，使用半橋式電路有二個(gè)主要理由，第一點(diǎn)就是它能在輸入交流電壓115V或230V的工作情況下，不需使用到高壓電晶體。第二點(diǎn)就是我們只需使用到簡(jiǎn)單的方法就能來(lái)平每一轉(zhuǎn)換電晶體的伏特—秒(volt-seconds)區(qū)間，而功率變壓器不需有間隙且不需使用到價(jià)格高的對(duì)在半橋式轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)中，功率變壓器有一端點(diǎn)連接到由串聯(lián)電容器C與C所產(chǎn)生的浮點(diǎn)電壓12由上面半橋式轉(zhuǎn)換器原理得知，此轉(zhuǎn)換器己達(dá)到第一個(gè)目標(biāo)了，也就是轉(zhuǎn)換電晶體所承受的電n壓值，不需再大于V以上，因此我們就可選擇使用耐壓額定值較低的轉(zhuǎn)換電晶體，一般選擇n耐壓的電晶體即可。n不過(guò)當(dāng)使用半橋式電路時(shí)，有一個(gè)小小的代價(jià)需付出，這是因?yàn)樽儔浩麟妷罕粶p少至V/2n此，電晶體的工作電流將會(huì)加倍，如果假設(shè)轉(zhuǎn)換器的效率為80%，工作周期δmax=0.8，則電晶體工作電流為3PIoutCV而有交流電壓波形旁邊部份，有一額外斜線區(qū)域，此乃伏特—秒(volt-seconds)的不平衡。如果此不平衡的波形被驅(qū)動(dòng)于功率變壓器中，將會(huì)有磁通擺動(dòng)的現(xiàn)象發(fā)生，而造成鐵心的飽和與電晶體集極電流波尖的產(chǎn)生，因此，會(huì)降低整個(gè)轉(zhuǎn)換器的效率，甚至造成電晶體熱跑脫而破壞了電晶體。偏壓會(huì)成比例的將伏特—秒(volt-seconds)積分不平衡部份予以去掉。此時(shí)交流波形的直流準(zhǔn)位會(huì)向上移動(dòng)，二極體更詳細(xì)的討論與應(yīng)用。在上一節(jié)中己對(duì)功率變壓器的耦合電容器有所描述，一般來(lái)說(shuō)使用薄膜非極性電容器，即可處理全部的初級(jí)電流，為了降低熱效應(yīng)的產(chǎn)生，電容器需使用有較低的ESR值，或是將一些電容器并聯(lián)在一起使用，也可降低其ESR值，并得到所希望的電容值大小。以下我們將對(duì)如何來(lái)正確選擇耦合電容器，其值的大小做個(gè)分析。我們由圖3-12得知，線路中的耦合電容器與輸出濾波電感器形成了一個(gè)串聯(lián)共振電路(seriesfRRR11變壓器初級(jí)圈的反射濾波電感值為L(zhǎng)PLLPL(3-30)NS1C42f2RNP/NS2L為了使耦合電容器能夠線性地充電，因此共振頻率的選擇必須低于轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換頻率。一般在實(shí)際電路設(shè)計(jì)上，我們都選定共振頻率大小的約為轉(zhuǎn)換頻率的四分之一，表示如下：fR0.25fS(3-32)HzHRkHzRRR有關(guān)耦合電容器的另外一項(xiàng)重要值是其充電電壓。由于電容器在每一半周會(huì)有充電與放電的情ininin(bucks)，因?yàn)槿绻穗妷哼^(guò)高，在低電壓線上，會(huì)干擾到轉(zhuǎn)換器上的穩(wěn)壓率。上，in(bucks)，因?yàn)槿绻穗妷哼^(guò)高，在低電壓線上，會(huì)干擾到轉(zhuǎn)換器上的穩(wěn)壓率。在此有二個(gè)步驟可用來(lái)檢查此電壓值，且依次來(lái)修正所計(jì)算的電容值，電容器充電電壓為IVC=Cdt時(shí)間為且Tdt26max1T=fS的情況下，轉(zhuǎn)換器才會(huì)有好的穩(wěn)壓率。如果充電電壓超過(guò)了極限值，就必須重新計(jì)算較正確的電容值，此值為dtC=I(3-36)dV就可求出電壓額定值，由此理論所計(jì)算出來(lái)的電壓額定值都非常低，而在實(shí)際設(shè)計(jì)上我們都使用電壓額定假設(shè)我們使用例題3-1所計(jì)算出來(lái)的電容器值，用于200W，20kHz的半橋式轉(zhuǎn)換器中，試證所計(jì)算出來(lái)0.5μF的電容值是否可接受，若否，則重新計(jì)算正確的耦合電容值。I==1.86AC320假設(shè)轉(zhuǎn)換器輸入電壓誤差為±20%，則電晶體最大工作電流會(huì)發(fā)生在低電壓線上，因此，我們重新修正，此最差情況的集極電流為V==90VV==90V如此高能量漏電感的脈沖波尖，就不會(huì)像圖3-11的推挽式電路，出現(xiàn)在V的波形上。CE體的集極至射極間電壓搖擺至負(fù)電位，也就是說(shuō)轉(zhuǎn)換二極體可以將電晶體予以傍路，直到集極再度達(dá)到正電位，如此可避免電晶體組件的逆向?qū)ㄅc其可能的破壞。OFF時(shí)，集極至射極電壓。在實(shí)際應(yīng)用電路中，我們大都選用具有450V逆向阻3.5全橋式電路(THEFULL-BRIDGECIRCUIT)在前面我們討論過(guò)的半橋式電路，雖然己經(jīng)能夠成功地減少轉(zhuǎn)換電晶體在OFF時(shí)，所產(chǎn)生的電壓波尖至輸入直流電壓值的一半，不過(guò)所付出的代價(jià)是電晶體在ON時(shí)集極電流會(huì)加倍，就如推挽式的電路一般。此種限制對(duì)低功率或中功率的轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，倒無(wú)大礙，但是對(duì)高功率轉(zhuǎn)換器而言，就稍有困難了，因?yàn)槟芫哂懈唠妷?，高電流的電晶體實(shí)在不多。為了保留半橋式電路的電壓特性與推挽式電路的電流特性，我們發(fā)展出另一種型式的電路，稱Qinin由于這些電晶體的動(dòng)作狀態(tài)，使得變壓器初級(jí)圈上的電壓在＋V與－ininin這時(shí)電晶體在OFF狀態(tài)時(shí)，集極電壓絕不會(huì)超過(guò)Vin因此每一電晶體必須用到隔離的基極驅(qū)動(dòng)器。I= V此種轉(zhuǎn)換器的其它特性就與半橋式轉(zhuǎn)換器相同，所有導(dǎo)出計(jì)算組件的公式也適合應(yīng)用于此。3.6新型式無(wú)漣波輸出的轉(zhuǎn)換器(ANEWZEROOUTPUTRIPPLECONVERTER)以上所討論的各種電路，其輸出電流都會(huì)有漣波(ripple)產(chǎn)生，近年來(lái)有一種新型式的轉(zhuǎn)換器被稱呼。此種轉(zhuǎn)換器只要能將變壓器設(shè)計(jì)完善，就可達(dá)到無(wú)漣波的輸出。電容器C的正端點(diǎn)就接到地電位了。因此，電流I流經(jīng)電感器L，會(huì)在負(fù)載上得到負(fù)的輸出電壓。122buck-boost特性，且能量的轉(zhuǎn)移為電容性的，其輸入電流與輸出電流幾近于純直流的特性，轉(zhuǎn)換漣波幾乎可忽略了。但是，所謂的“忽略轉(zhuǎn)換漣波”，并不是“沒(méi)有漣波”之意，要達(dá)成此沒(méi)有漣波的境界，此乃原理上的最終目標(biāo)，幸運(yùn)的是經(jīng)由下面的觀察無(wú)漣波輸出的理論，似乎可以達(dá)到。為了使經(jīng)由每一電感器的平均直流電壓為零，且此二個(gè)波形必須是相等且一樣的，因此，為了達(dá)到此目的，二個(gè)電感器必須共享相同的鐵心，且需具有相同的圈數(shù)，如圖3-16由于這二個(gè)耦合電感器構(gòu)成了一個(gè)變壓器，因此每一繞組的有效電感值，經(jīng)由交互的感應(yīng)能量入與輸出的漣波值，為無(wú)耦合轉(zhuǎn)換器的一半。此乃重要的結(jié)果，因?yàn)槿绻覀冞m當(dāng)?shù)馗淖內(nèi)?shù)比的話，也就是初級(jí)對(duì)次級(jí)圈數(shù)比能夠與變壓器感應(yīng)耦合系數(shù)匹配，則輸出電流的漣波就可能完全被消但是美中不足的是輸入與輸出之間卻沒(méi)有設(shè)計(jì)隔離組件，因此，使用在非線上的結(jié)構(gòu)時(shí)，最好能在輸入與輸出間加裝隔離組件。以下我們就是要來(lái)討論如何容器的連接處，由于其平均值電壓是不確定的而且是浮動(dòng)的，我們亦可使其趨于零電位之值，也就是在電容器連接處與地之間，加上電感器L，如圖3-17(b)所示。如果我們選的電感值夠大的話，由二個(gè)串聯(lián)電容器流經(jīng)至此的電流，可忽略不計(jì)，因此轉(zhuǎn)換器的操作保持不變不受影響。k繞組的另一端，此舉并不會(huì)影響轉(zhuǎn)換器的操作。雖然輸入與輸出電感器的耦合能夠減少漣波的輸出，但是也會(huì)產(chǎn)生不希望的邊際效應(yīng)，也就是在電源開(kāi)啟時(shí)，輸出極性會(huì)反轉(zhuǎn)，雖然此反向極性的脈波非常短暫，然而對(duì)敏感的電子負(fù)載裝置來(lái)說(shuō)，此乃致命之舉，因此，在圖3-18中，我們加裝了一個(gè)制止二極體D，來(lái)限制其暫態(tài)電壓至12伏特或是更小之值，如此可用來(lái)保護(hù)敏感的電子裝置。4、轉(zhuǎn)換器功率電晶體的設(shè)計(jì)THEPOWERTRANSISTORINCONVERTERDESIGN4.0概論(INTRODUCTION)包括轉(zhuǎn)換組件，MOSFET道，深受人們喜愛(ài)。因此，本章將討論雙極式電晶體與MOSFET的各種特性，以及他們?cè)谵D(zhuǎn)換式電源供給器中的使用。4.1電晶體的選擇(TRANSISTORSELECTION)換器時(shí)，有二個(gè)電晶體的參數(shù)值需予以考慮，第一個(gè)就是電晶體在OFF時(shí)，其電壓阻隔能力之值，其次，就是電晶體在ON時(shí)，其電流承載容許值。因此，這些參數(shù)值依所選用轉(zhuǎn)換器之種類而定，再來(lái)選擇適用的電晶體，在第三章中，我們己討論過(guò)如何選擇適當(dāng)?shù)慕M件的設(shè)計(jì)公式其驅(qū)動(dòng)電路較為簡(jiǎn)單。的轉(zhuǎn)換頻率下。當(dāng)然，若使用愈高的頻率，組件可以更小型化，同時(shí)電源供給器也會(huì)更小型化，更簡(jiǎn)捷，事實(shí)上，這也是目前電源供給器設(shè)計(jì)的潮流與趨勢(shì)。4.2雙極式功率電晶體的開(kāi)關(guān)作用(THEBIPOLARPOWERTRANSISTORUSEDASASWITCH)雙極式電晶體在本質(zhì)上就是屬于電流驅(qū)動(dòng)的組件，乃因我們?cè)诨鶚O端注入電流時(shí)，在集極端就會(huì)有電流的產(chǎn)生。集極電流值的大小是依電晶體的增益而定，其關(guān)系式為=ICIIB在此IC為集極電流(A)，IB為基極電流(A)基本上雙極式電晶體有二種操作型式：線性與飽和型式。線性型式是用于放大電路中，而飽和關(guān)于ON狀態(tài)，就會(huì)有大量的集極電流產(chǎn)生，此時(shí)集極至射極端的電壓值非常小。在轉(zhuǎn)換電路的應(yīng)用上，必須有足夠的基極驅(qū)動(dòng)電流，使得電晶體確實(shí)達(dá)到ON的狀態(tài)，而逆向極性的基極電流，也必須確實(shí)使用電晶體處于OFF狀態(tài)。由于電晶體并非理想的組件，因此，在操在下節(jié)中我們將對(duì)不連續(xù)的雙極式電晶體做某些定義，它是以步階函數(shù)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)至電阻性負(fù)4.3雙極式電晶體交換時(shí)間的定義(電阻性負(fù)載)(SWITCHTIMESDEFINITIONSOFBIPOLARTRANSISTORS(RESISTIVELOAD))我們以基極脈波電流I，來(lái)驅(qū)動(dòng)雙極式NPN電晶體至電阻性負(fù)載，則其產(chǎn)生的基極-射極與集B極-射極的電壓波形，如圖4-2所示，以下將以這些波形來(lái)做一些定義：imetdIBVCE的這段期間稱之。VV4.4電感性負(fù)載交換時(shí)間的關(guān)系(INDUCTIVELOADSWITCHINGRELATIONSHIIPS)在上節(jié)中我們都是以集極－射極電壓波形，來(lái)定義雙極式電晶體的轉(zhuǎn)換時(shí)間，由于負(fù)載是電阻性的，因此我們?nèi)粢约瘶O電流來(lái)定義轉(zhuǎn)換時(shí)間，亦是相同的。然而如果電晶體所驅(qū)動(dòng)的是電感性負(fù)載的話，集極的電壓波形與電流波形將會(huì)有所不同，這是因?yàn)樵谒褂玫碾妷呵闆r下，流經(jīng)電感器的電流，并不會(huì)瞬時(shí)產(chǎn)生，在電晶體OFF時(shí)，我們期望在電流開(kāi)始下降以前，集極－射極電壓能上升至直流電源電壓。因此我們可定義出二種下降時(shí)間，一則以集極－射極電壓波形來(lái)定義，tfVCE，tfVCE與電阻性負(fù)載情況相同，至于E4.5電晶體反飽和電路(TRANSISTORANTISATURATIONCIRCUITS)儲(chǔ)存時(shí)間，則整個(gè)電晶體的轉(zhuǎn)換速度就會(huì)有所改進(jìn)。因此，我們只要結(jié)合使用大型的逆向基極驅(qū)動(dòng)反飽和的方法，就可減少儲(chǔ)存時(shí)間至零的境界。至于逆向基極電流的產(chǎn)生用來(lái)作基極驅(qū)動(dòng)的方法，我們將在4-6節(jié)再做討論，在此我們將討論使用二種方法使得轉(zhuǎn)換電晶體不會(huì)飽和，其目的就是要減少儲(chǔ)存時(shí)間至零值，來(lái)改進(jìn)電晶體的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換電晶體連接使用，可減少儲(chǔ)存時(shí)間，由電路可得知，當(dāng)電晶體ON時(shí)，二極體D與D順向偏23壓，會(huì)有電壓降產(chǎn)生，因此輸入端電位會(huì)較基極端電位高，假設(shè)二極體D與D的順向偏壓為0.8V，23則輸入端會(huì)較基極端高出1.6V的電壓降，由于電晶體集極端與D二極體連接，因此輸入端會(huì)較集1極端高出0.8V的電壓，所以，電晶體的集極端電壓會(huì)大于基極端的電壓，且為正值，其值為1.6－反飽和二極體必須使用高速回復(fù)二極體的型式。二極體D與D其逆向阻隔電壓額定值可以較低，23但是二極體D則必須具有至少2V的額定值，對(duì)轉(zhuǎn)換式電源供給器來(lái)說(shuō)，一般都使用800VPIV的1CE將基極－射極端的電容放電，如此可減少儲(chǔ)存時(shí)間。b達(dá)林頓連接的電路，其工作原理基本上是與前面所描述的相似，電晶體Q1圖中的達(dá)林頓電路可以使用個(gè)別的分離組件來(lái)組合，亦可使用己裝置在一起的單石(monolithic)4.6雙極式電晶體基極驅(qū)動(dòng)電路的方法(BASEDRIVECIRCUITTECHNIQUESFORBIPOLARTRANSISTORS)4.6.1恒定驅(qū)動(dòng)電流電路(ConstantDriveCurrentCircuits)了減少飽和的損失，必須有適當(dāng)大小的順向基極驅(qū)動(dòng)電流I，為了減少儲(chǔ)存時(shí)間與電晶體的轉(zhuǎn)換損B1在此我們需注意的是，當(dāng)I電流增加時(shí)，電晶體的儲(chǔ)存時(shí)間與下降時(shí)間都會(huì)減少，射極至基極B2的逆向偏壓V也會(huì)增加，而其逆向偏壓的二次崩潰能量E，也會(huì)被降低，因此，在設(shè)計(jì)逆向驅(qū)動(dòng)EBSB電路時(shí)，若不小心的話，轉(zhuǎn)換電晶體很可能因?yàn)槎伪罎⒍粨p壞了。在4-7-2節(jié)中，我們將討論E的重要性，與雙極式電晶體二次崩潰的現(xiàn)象。總而言之，在實(shí)際設(shè)計(jì)上，逆向基極驅(qū)動(dòng)電路必須SBB一般在制造商的資料手冊(cè)中，都會(huì)提供逆向射極至基極偏壓的極限值，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)上，所用的V值是從－2V到－5V之間，愈高的逆向基極電壓會(huì)減少儲(chǔ)存時(shí)間的延遲，這是因?yàn)闀?huì)允許EB更少數(shù)的載子，經(jīng)由復(fù)合而被中性化(neutralized)，因此移去所儲(chǔ)存電荷的時(shí)間就更短了。目前較常用的基極驅(qū)動(dòng)電路是使用浮動(dòng)式轉(zhuǎn)換電晶體，如圖4-5所示的電路波形。線路操作原可計(jì)算出來(lái)，因此基極電流，我們就可以由公式4-1預(yù)先決定了。此正的驅(qū)動(dòng)脈波會(huì)迅速地將電容器C充電，因此在電容器上的充電電壓為CSBEDV=VCSBED在此V：變壓器次級(jí)端電壓振幅SVBE：Q1電晶體飽和基極－射極電壓V：二極體D的順向偏壓D如果我們假設(shè)V＝V＝0.8V，則公式4-2變?yōu)锽EDVC=VS1.6(4-3)器C，QQ位。電容器此時(shí)會(huì)與Q1電晶體基極－射極接頭處連接，因此會(huì)有大的逆向基極電流IB2產(chǎn)生，此電另外一種應(yīng)用于轉(zhuǎn)換式電源供給器上，己證實(shí)非常有效用的基極驅(qū)動(dòng)電路，如圖4-6所示。此電路有個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)是在使用最少的組件下，能提供適當(dāng)?shù)腎電流，電路的操作原理如下：當(dāng)電晶B2CC而初級(jí)圈兩端會(huì)有電壓脈波V產(chǎn)生，此電壓脈波會(huì)耦合至次級(jí)端，由于變壓器的初級(jí)端與次級(jí)端P2SQR，其作用允許足夠的IB1電流來(lái)驅(qū)動(dòng)Q2電晶體導(dǎo)通，不需將電晶體過(guò)度驅(qū)動(dòng)般R電阻值都非常低，其值介于50Q至100Q之間。2三個(gè)繞組的極性與初級(jí)繞組的極性相反，因此會(huì)有反向極性的電壓脈波V產(chǎn)生，此負(fù)的脈波電壓P2會(huì)耦合至次級(jí)端，而有逆向驅(qū)動(dòng)電流I產(chǎn)生。B2當(dāng)我們?cè)谠O(shè)計(jì)基極驅(qū)動(dòng)變壓器時(shí)，初級(jí)至次級(jí)的圈數(shù)比，必須選擇不超過(guò)Q2電晶體的VBE與V規(guī)格，一般初級(jí)繞組與第三繞組的圈數(shù)是相同的。EB過(guò)大的電壓波尖。電晶體Q1的選擇，必須電晶體在OFF時(shí)集極能承受最少二倍的VCC電壓。為了簡(jiǎn)化變壓器，我們將電路略作修正，并保有先前所描述的優(yōu)點(diǎn)，此實(shí)際電路如圖4-7所示。如果正脈波電壓V出現(xiàn)于基極驅(qū)動(dòng)變壓器的初級(jí)繞組上，則在次級(jí)端也會(huì)有正的電壓脈波VPS所示。電容器上的電壓，由于二極體D，D與D的順向電壓降，會(huì)被箝制于3V，我們可用電壓額123晶體開(kāi)關(guān)的基極—射極接頭處，產(chǎn)生所需的逆向基極驅(qū)動(dòng)電流I，并將電晶體OFF且減少其儲(chǔ)存B2耦合的功率電晶體，由Q1與Q2電晶體組成的ZB11實(shí)際電路中V＝4.3V),而且也提供了順向基極驅(qū)動(dòng)電流I的路徑,ZB11C之值與充電大小及線路的阻抗而定。4.6.2比例式基極驅(qū)動(dòng)電路(APropotitionalBaseDriveCircuit)在前節(jié)中所描述的基極驅(qū)動(dòng)電路，都會(huì)提供恒定的驅(qū)動(dòng)電流至電晶體開(kāi)關(guān)，不過(guò)這些電路有個(gè)缺點(diǎn)就是當(dāng)集極電流低時(shí)，由于電晶體β值的改變，以致于電晶體的儲(chǔ)存時(shí)間無(wú)法足夠地或有效地因此，如果我們使用比例式基極驅(qū)動(dòng)的方法，就可以控制β值了，而且事實(shí)上我們能夠保持所有集極電流為一恒定值。所以，使用此種型式的驅(qū)動(dòng)方法，在集極電流低的情況下，我們所期望的是去縮短儲(chǔ)存時(shí)間，其結(jié)果會(huì)優(yōu)于使用恒定驅(qū)動(dòng)電流的方法。過(guò)，此電流值大小會(huì)被串聯(lián)電阻R所限制，因此在繞組上就會(huì)有能量?jī)?chǔ)存并保持T變壓器在飽和狀1時(shí)會(huì)將Q2電晶體導(dǎo)通，因此會(huì)有集極電流的產(chǎn)生，則變壓器N2繞組上會(huì)被激發(fā)而有能量?jī)?chǔ)存，所以，在變壓器T上有標(biāo)記圓點(diǎn)的各端點(diǎn)都會(huì)變成正電位，并牽引鐵心由負(fù)飽和變成正飽和。1NFF式可用來(lái)計(jì)算變壓器的圈數(shù)比，對(duì)Q2來(lái)說(shuō)使用一個(gè)強(qiáng)制的β常數(shù)值，則有N==4N20ton=0toff且maxC在此B為最大操作磁通密度(單位為高斯)，AmaxC由基本的磁性公式我們可得將公式4-6與公式4-7結(jié)合，我們可求得N與N變壓器的繞組 N=CC12fBmaxAC N=BE42fBmaxAC(4-8)(4-9)Hz(4-10)N1VCC(4-10)=4BEonN4BEon4.6.3反飽和電路用于基極驅(qū)動(dòng)(AntisaturationCircuitsUsedInBaseDrives)在4-5節(jié)中我們討論使用二種方法，來(lái)使得功率轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換電晶體不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)，如此er驅(qū)動(dòng)電路來(lái)使用，其它的基極驅(qū)動(dòng)電路，亦可與其連接使用，當(dāng)然如果使用的轉(zhuǎn)換電晶體為達(dá)林頓電晶體，因?yàn)楸旧砭哂蟹达柡吞匦?，所以就不需使用反飽和二極體了。4.7雙極式電晶體二次崩潰的考慮(BIPOLARTRANSISTORSECONDARYBREAKDOWNCONSIDERATIONS)4.7.1順向偏壓的二次崩潰(Forward-BiasSecondaryBreakdown)為了能設(shè)計(jì)可靠的，無(wú)缺點(diǎn)的電路，從事設(shè)計(jì)的工程師們，必須要能清楚了解到，雙極式功率電晶體在順向偏壓與逆向偏壓狀態(tài)下，其特性如何。首當(dāng)其沖的是，當(dāng)電晶體在順向偏壓時(shí)，要防止轉(zhuǎn)換電晶體ON時(shí)的二次崩潰(secondary所代表的意義就是電晶體所能操作范圍的最大極限，因此，在電晶體ON期間，負(fù)載線若落于脈波的順向偏壓SOA曲線內(nèi)，則電晶體就能安全地工作，不會(huì)超過(guò)熱效應(yīng)的極限SOA的導(dǎo)通(ON)時(shí)順向偏壓二次崩潰的現(xiàn)象，乃由于過(guò)熱點(diǎn)(hotspots)散亂地到處產(chǎn)生，超過(guò)了功率電晶體的工作區(qū)域而引起，也是由于在高壓應(yīng)力下，不相等的導(dǎo)通電流所引起。因?yàn)殡娋w的基極—射極接頭局部電流(localcurrent)產(chǎn)生，電流愈多也就是會(huì)產(chǎn)生更多的功率，換句話說(shuō)，過(guò)熱點(diǎn)的溫度就會(huì)愈來(lái)愈高，由于集極—射極崩潰電壓的溫度系數(shù)也是負(fù)的，所以亦會(huì)有相同的結(jié)果產(chǎn)生。因此，如果我們不將電壓應(yīng)力移去，并終止電流的產(chǎn)生，則集極也由于熱跑脫現(xiàn)象，使得電晶體會(huì)受損壞。最近國(guó)際半導(dǎo)體公司已發(fā)展研究出可以避免順向崩潰的方法，此法乃是電晶體在制造時(shí)使用修正的射極穩(wěn)流技術(shù)來(lái)完成，由此技術(shù)所制造出來(lái)的組件，能夠操作在最大額定功率準(zhǔn)位與集極電壓石組件的結(jié)構(gòu)圖。此方法就是將接面場(chǎng)效電晶體(junctionfield-effecttransistorJFET)與功率電晶體串聯(lián)，JFET一個(gè)電阻器，因此，此方法不同于標(biāo)準(zhǔn)的射極穩(wěn)流技術(shù)。在忽視集極電壓下，基極穩(wěn)流也保持恒定Breakdown我們?cè)谇懊嫣徇^(guò)，在轉(zhuǎn)換應(yīng)用上的功率電晶體，其儲(chǔ)存時(shí)間與轉(zhuǎn)換損失這二個(gè)參數(shù)值非常重要，因此工程師在設(shè)計(jì)上就必須謹(jǐn)慎來(lái)處理。如果儲(chǔ)存時(shí)間不能減少至最低值，變壓器就會(huì)有飽和情況發(fā)生，而且轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)壓率的范圍就被限制了。電晶體在電阻性與電感性負(fù)載下，其關(guān)斷時(shí)的特性曲線。查此曲線，我們可得知，電感性負(fù)載較電操作區(qū)的范圍(RBSOA)，則就可能產(chǎn)生二次崩潰的現(xiàn)象。在早期電晶體文獻(xiàn)中，測(cè)定逆向偏壓二次崩潰的方法是使用非定位電感性負(fù)載來(lái)測(cè)試電晶體，逆向偏壓二次崩潰的能量SBESB=2LoffI2C此VL=CEXLoffVV計(jì)算求得的E值，求單位為焦耳，但是，由于以開(kāi)路基極來(lái)關(guān)斷或是以非常高的基極阻抗，來(lái)真SB正測(cè)試電晶體，則ESB值范圍，可從毫焦耳(millijoules)變化至焦耳(joules)。若基于事實(shí)上的考慮，電晶體操作于崩潰電壓V附近時(shí)，則對(duì)目前電晶體規(guī)格來(lái)說(shuō)，E的參數(shù)值乃相對(duì)地?zé)o效。CEXSB可選擇的RBSOA額定系統(tǒng)，經(jīng)由功率電晶體制造商己發(fā)展出來(lái)，其使用定位的電感性集極負(fù)V值，會(huì)操作在安全區(qū)域，而與逆向偏壓V值無(wú)關(guān)，僅受限于電晶體的集極電流I，若超過(guò)了CEOEBCV值時(shí)，此時(shí)集極電流值必須予以減少，其值依所供給的逆向偏壓而定。CEO顯而易見(jiàn)的，逆向偏壓V值的重要性，與其在RBSOA上的效果，另一重要之點(diǎn)乃是要避免，EBE基極與射極接頭處的累增崩潰，在任何情況下，我們都不考慮其關(guān)連性，因此，一般設(shè)計(jì)者為了保護(hù)轉(zhuǎn)換電晶體，都使用制止二極體或是箝制電路，來(lái)避免此種情況。ENETWORKS:RCSNUBBERS)們?cè)徇^(guò)使用基極驅(qū)動(dòng)的方法，是用來(lái)增加逆向基極電流I，來(lái)使得電晶體的儲(chǔ)存時(shí)間可以被減小。B2不幸的是，在此情況下基極－射極接頭可能會(huì)有累增崩潰產(chǎn)生而損壞了電晶體。我們可用以下二種方法來(lái)避免此種情況發(fā)生：(1)在低的集極－射極電壓V下，將電晶體OFF，(2)在升高集極電CE流值。當(dāng)我們所設(shè)計(jì)的電源供給器是屬于轉(zhuǎn)換型式時(shí)，此時(shí)使用第二種解決方法會(huì)來(lái)得較實(shí)際些，圖4-15所示，就是達(dá)成此目的電路，我們?cè)陔娋w上使用了RC箝制電路，使得電晶體OFF時(shí)，集極為(VCC-VD)，當(dāng)Q1電晶體ON時(shí)，電容經(jīng)由電阻器R的路徑放電，有一點(diǎn)非常重要的是，箝制電路會(huì)消耗一些功率，而減少了轉(zhuǎn)換電晶體的功率損耗，若沒(méi)有使用箝制電路，則這些功率都會(huì)消耗在電晶體上。以下的設(shè)計(jì)與分析過(guò)程，乃基于實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的結(jié)果，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)上，這些公式能夠有效成功2V：最大集極－射極電壓，VCEVV(4-13) R=on在R=on(4-15)表示式，將會(huì)趨于1，在同一理由下，我們亦須選擇RC值，使得在tON時(shí)，電容器能被放電。由基本電路理論我們可得知，若要電容器經(jīng)由電阻器完全放電，則需要五倍的時(shí)間常數(shù)(5τ；τ＝RC)，假設(shè)在三倍時(shí)間常數(shù)之后，電容器就能完全放電，則我們可導(dǎo)出最大放電之電阻值：tt(4-16)由公式4-6所計(jì)算求得的電阻R，我們必須檢查在ON時(shí)，流經(jīng)電晶體的電容器放電電流，并由以下公式，限制它至0.25I值范圍：CIdis=VCER(4-17)disC如果電阻值太低而且I>0.25I的話，則我們必須重新選擇disC最后我們要來(lái)計(jì)算最大電阻的功率額定值，其公式為：PRCVCEf(4-18)以下我們就學(xué)個(gè)例題來(lái)說(shuō)明驗(yàn)證上面的公式。假設(shè)轉(zhuǎn)換電晶體使有在半橋式轉(zhuǎn)換器中時(shí)，其VCE＝200V，tf＝2μs，tr＝0.5μs，轉(zhuǎn)換器工作于20kHz的頻率下，而且電晶體集極電流I＝2A，試計(jì)算箝制電路的電阻值R與電容器值C。CV200I==0.67Adis300此值會(huì)大于0.25I，因此必須重新計(jì)算R值CR=VCE最后計(jì)算電阻的功率額定值為4.9功率型MOSFET用作開(kāi)關(guān)(THEPOWERMOSFETUSEDASASWITCH)4.9.1概論(Introduction)fieldeffecttransistorFET設(shè)計(jì)上。而此MOSFET的功能需求，更超越了其它。MOSFET速度，高功率，高電壓，與高增益的組件，且?guī)缀鯖](méi)有儲(chǔ)存時(shí)間，沒(méi)有熱跑脫與被抑制的崩潰特性，由于不同的制造廠型的FET，因此就會(huì)有不同的名稱，如HEXFET，VMOS，TMOS等，此乃成為每一公司特有的注冊(cè)商標(biāo)。雖然結(jié)構(gòu)上會(huì)有所改變而增強(qiáng)了某些功能，但是所有的亦會(huì)較使用其它型式來(lái)得適切引人些。都稱為電晶體，可是我們必須明了，雙極式組件與MOSFET，在結(jié)構(gòu)上與操作T件。FETGateDriveConsiderationsoftheMOSFET當(dāng)我們使用到雙極式功率電晶體時(shí)，此組件基本上是屬于電流驅(qū)動(dòng)的，也就是為了能在集極端有電流產(chǎn)生，必須在基極端注入電流，此產(chǎn)生的集極電流正比例于雙極式電晶體的增益。d必須在閘極與源極之間，提供額定的電壓值，由于MOSFET的閘極端與源極端之間會(huì)被氧化硅層我們可以說(shuō)，MOSFET具有極高的增益與極高的阻抗。MOSFETC。我們有一種方法可以大約計(jì)算驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生器的阻抗值與所需的驅(qū)動(dòng)電流值，如下公式：且R=t(ort)rfg2.2CdvIg=Cissdt (4-20)gg若要將MOSFET關(guān)閉(OFF)時(shí)，我們不需像雙極式電晶體一樣，使用精確的逆向電流產(chǎn)生電路，這是由于MOSFET為多數(shù)載子(majoritycarrier)的半導(dǎo)體，因此只要將閘極至源極電壓移去，即可將MOSFET達(dá)至OFF狀態(tài)。在移去閘極電壓時(shí)電晶體會(huì)關(guān)閉，此時(shí)漏極與源極之間會(huì)呈現(xiàn)非常高的阻抗，因而除了漏電流(幾微安培)，可抑制其它的電流產(chǎn)生。在圖4-17中說(shuō)明了漏極電流對(duì)漏極至源極電壓之間的關(guān)系，由圖中可得知，僅當(dāng)漏極至源極電壓超過(guò)其累增電壓時(shí)，漏極電流才會(huì)開(kāi)始產(chǎn)生，而此時(shí)，閘極至源極電壓保持在零伏特之值。4.9.4MOSFET靜態(tài)操作點(diǎn)的特性(StaticOperatingCharacteristicsoftheMOSFET)圖4-1的雙極式電晶體特性曲線作個(gè)比較，乍看之下，它們雖然有些相同，不過(guò)它們之間還是有些MOSFET個(gè)顯著的操作區(qū)域，稱為“恒定電阻區(qū)”與“恒定電流區(qū)”，當(dāng)漏極至源極電壓增加時(shí)，漏極電流亦會(huì)成比例地增加，直到漏極至源極電壓達(dá)到夾止(pinchOFF)電壓時(shí)，漏極電流才會(huì)保持恒定之值。n乃因在所給的漏極電流情況下，可決定其功率之