開關(guān)損耗分析與負(fù)載線整形緩沖電路設(shè)計 | |||||
對于12V2000mA電源適配器變壓器繞組或電感與功率晶體管串聯(lián)的拓?fù)洌嬖诠β示w管開通和關(guān)斷時其電壓和電流重疊所引起的開關(guān)損耗。其中,關(guān)斷損耗占晶體管損耗的大部分。 關(guān)斷損耗為關(guān)斷和開通時間內(nèi)的積分 ,持續(xù)時間約為0。2~2us(雙極型晶體管)。用于減小關(guān)斷時電壓和電流重疊面積的電路,稱為關(guān)斷緩沖電路或負(fù)載線(load-line)整形電路。這些電路是本章主要討論的內(nèi)容。 開關(guān)損耗通常會有很高的損耗尖峰。甚至對開關(guān)損耗取平均值后,其平均損耗也可能大于晶體管導(dǎo)通時的平均導(dǎo)通損耗。開關(guān)頻率越高,每個周期的開關(guān)損耗占總的晶體管損耗的比例越大。這也是使用雙極型晶體管工作在50kHx開關(guān)頻率以上時的主要制約因素。 對帶功率變壓器的拓?fù)涠裕_通期間內(nèi)的損耗會比較小,因為變壓器漏感可抑制開通時電流的上升斜率。在開通的瞬間,漏感產(chǎn)生的高瞬態(tài)阻抗使得晶體管上的壓降迅速降為零,而同時漏感會使電流上升斜率變緩。由于晶體管上的壓降近似為零,因此電壓電流重疊引起的開關(guān)損耗非常小。 但在Buk電路中(圖),晶體管導(dǎo)通和關(guān)斷時均有很大的電流電壓重疊。Buk晶體管開通時,由于Bck電路中續(xù)流二極管Dl的阻抗很小,重疊的上升電流和下降電壓產(chǎn)生很大的瞬時尖峰損耗。Buck晶體管的關(guān)斷損耗則可以通過與變壓器型拓?fù)渲幸粯拥年P(guān)斷緩沖電路來減小。 MOSFET的關(guān)斷損耗比雙極性晶體管要小很多。它的電流下降時間非常短,因此一個小的緩沖電路就可以滿足要求。在 MOSFET漏源極的寄生電容上的電壓顯著上升前,其電流已經(jīng)急劇下降了。 雖然 MOSFET管依然使用關(guān)斷緩沖器,但它的作用不是減少關(guān)斷重疊損耗,而是降低變壓器漏感尖峰電壓。由于變壓器漏感尖峰電壓與d/d成正比,所以 MOSFET比雙極型晶體管更快的電流下降速率會引起更高的漏感尖峰電壓。所以, MOSFET雖然也需要關(guān)斷緩沖電路,但緩沖電路上的損耗不會像雙極型晶體管上的那么高。 MOSFET管存在相當(dāng)可觀的開通損耗,但這并非是由電流和電壓的重疊引起的,而是由于它相對較大的漏源極輸出電容C。關(guān)斷時,該電容通常被充電至輸入電壓的兩倍,故儲存了的能量。接下來,在晶體管開通時,該能量以 MOSFET損耗的形式釋放,在一個周期內(nèi)的平均損耗為, 遺憾的是,用于減小 MOSFET所承受的漏感尖峰電壓的緩沖電路也會增加這一損耗,原因是緩沖電路會增加品體管輸出端的電容量。 無緩沖電路的晶體管的關(guān)斷損耗 以圖中的正激電路為例,電路中采用了典型的RCD關(guān)斷緩沖電路(由RI、C1、D1組成)。假設(shè)該電路由115V交流電壓供電,輸出功率為150W。對離線式電源適配器來說,整流后的直流輸入電壓范圍通常是136~184V。 (a)由R1、C1、D1組成的正激變換器的緩沖電路。Q1關(guān)斷時,集電極電壓開始上升,D1隨即導(dǎo)通,Cl抑制集電極電壓上升的速度,減小上升電壓和下降電流的重疊,從而降低品體管Q1的損耗。在下次晶體管關(guān)斷之前,C1必須在Q1的導(dǎo)通時間內(nèi)將上一次關(guān)斷時充的2V放完,放電路徑為R1、Q1。(b)無緩沖電路時,集電極電壓瞬時升高,Q1的損耗是 。 由式可知,Q1的峰值電流為 假設(shè)Q1為快速雙極型晶體管,如第三代 Motorola2N6836,其額定電壓V為450v(850VV),額定電流為15A。器件手冊上給出,在5V基極反向偏置條件下,集電極電流由3。5A下降到0A的時間為0。15μs。實際計算中,假設(shè)最壞情況下的下降時間是手冊中數(shù)據(jù)的兩倍,即0.3us。 首先分析不存在R、D1、C1緩沖網(wǎng)絡(luò)的情況。對于復(fù)位繞組和初級繞組匝數(shù)相同的正激變換器,在關(guān)斷瞬間,儲存在勵磁電感和漏感中的能量釋放,電感兩端電壓極性反向,使正激變換器的晶體管集電極電壓迅速上升到2V。 由于集電極輸出電容比較小,故電壓的上升是瞬時的。假設(shè)峰值母線電壓V為184V,如圖所示,品體管集電極電壓迅速上升到368V,電流在03s內(nèi)由345A線性下降到0A。 這一過程會在0.3μs的開關(guān)時間內(nèi)平均產(chǎn)生3683。45/2=635W的重疊損耗。假設(shè)開關(guān)頻率為100kHz,則每周期內(nèi)平均損耗為6350。3/10=19W。如此高的損耗需要很大的散熱器來保證晶體管的結(jié)溫不至于過高,而通常滿足條件的散熱器的體積是不能接受的。 但需注意,以上計算是在假設(shè)的理想狀態(tài)下得出的。估算的損耗是依賴于電流關(guān)斷時間的假設(shè)而做出的。實際上,電流在下降之前會在很短的一段時間內(nèi)保持為峰值,因此實際損耗大約比計算出的19W要多出50%。 圖中,R1、C1、D1組成的緩沖器通過減緩集電極電壓的上升速度,使下降的電波形同上升的電壓波形之間的重疊盡量小,以達(dá)到減小開關(guān)損耗的目的。下面介紹其工作原理和元器件選擇。
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| 發(fā)布時間:2019.03.27 來源:電源適配器廠家 |
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