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开关电源中开关晶体管的损耗

2012/10/20 19:50:45      点击:

 

    功率双极晶体管的损耗是开关电源总损耗中的最多的器件之一, 采用10M eV电子辐照来降低功率双极晶体管的下降延时, 以此来降低功率双极晶体管的关断损耗。在一个典型的充电器开关电源中, 85 V 交流输入电压下, 功率双极晶体管总损耗最多降低了42%, 系统效率提高了2.1%。
 
    开关电源具有功率转换效率高、稳压范围宽、功率体积比高、重量轻等特点, 因此被广泛应用于手机充电器和笔记本电脑适配器等消费类电子产品中, 如何降低开关电源的损耗受到越来越多的关注。而要在系统层面上优化使开关电源效率提高1% 左右, 已经变得非常困难。功率开关管是开关电源的核心部件之一, 其损耗是总的电源损耗最多的器件之一。为了使开关电源的变压器、电抗器等磁性元件和平滑波形的电容器小型化,并且进一步提高电源系统的动态响应性能, 需要提高开关频率。但频率越高, 开关管的开关损耗越大,这不仅降低了电能转换效率, 使开关管发热, 而且限制开关频率的提高, 严重时会影响电源系统的可靠性。因此,为了提高电源转换效率和工作频率, 就必须要降低开关管的损耗。
 
    功率双极晶体管由于其低廉的成本, 在开关电源中作为功率开关管得到了广泛的应用。应用电子辐照技术可以减小少子寿命, 降低功率双极晶体管的储存时间、下降时间, 提高开关速度, 且一致性、重复性好, 成品率高, 这是高反压功率开关晶体管传统制造工艺无法比拟的。为了降低功率双极晶体管的损耗,用了10 MeV 电子辐照来减小其关断延迟时间, 提高开关电源转换效率。
 
    通过在功率双极晶体管中加入钳位电路使得晶体管不能达到深饱和也能降低关断延时和关断损耗,对电子辐照双极晶体管和钳位型双极晶体管进行了比较。以下是开关电源中开关晶体管的损耗:
 
    晶体管在工作过程中的损耗分为开关损耗和稳态损耗, 其中开关损耗包括导通损耗和关断损耗, 稳态损耗包括通态损耗和截止损耗, 其中截止损耗占总的损耗的比率很小, 可以忽略不计。
 
    在开关晶体管开通时, 集电极电压在控制器驱动电压为高时, 基极电流变大, 集电极电压由Vindc下降为0, 此时由于变压器与原边并联的寄生电容两端的电压差也从0变为Vindc, 寄生电容充电, 因此在开关晶体管集电极产生一个尖峰电流, 另一方面, 如果副边整流二极管的反向恢复电流没有降到0, 也会进一步加大这个尖峰电流。
 
    在开关晶体管关断时,集电极电流不能马上降为0, 而集电极电压已经从Vcesat开始上升,在开关晶体管上产生电压电流交替现象, 从而产生关断损耗。
 
    由于变压器是电感元件,当开关突然关断时,变压器电感元件电流不能突变,会产生较大的反激电压,阻碍电流变化,通过电路加在开关管上,产生比较大的损耗。
 
    一般情况下, 关断损耗在开关损耗中占的比率最大, 而关断损耗跟开关晶体管的关断延迟时间有关,减小关断延迟时间( t3 - t2 ), 加快集电极电流下降速度, 可以降低开关晶体管的总损耗。