開關電源特性的詳細說明

開關電源特性的詳細說明

在開關電源中，通過晶體管導通和截止的時間之比（即占空比）來穩定輸出電壓。在這里，晶體管被用作開關，利用晶體管的放大通過特別小的基極電流來操縱集電極電流。當集電極電流飽和時，該開關被認為是導通的，而當集電極電流截止時，該開關被認為是導通的。

然而，晶體管的開/關不是理想的。 導通模式的飽和壓降為VCES，關斷時IC≠0，但具有肯定的ICEO。和理想開關相比，作為開關的晶體管不能和基本操縱電流同時導通/截止，這需要肯定的過程。

為了研究晶體管導通/關斷的瞬時過程，首先規定了開/關的相對值，則，當集電極電流達到其大飽和電流的90％時，它被認為是導通，并且集電極電流回我斷開時視為10％。根據該標準進行測量，并且將晶體管開/關過程所需的時間用作比較標準以測量晶體管的開關特性。

對于晶體管在開關狀態和線性放大狀態下的操作有完全不同的要求。放大狀態要求晶體管的Ic應該完全由IB操縱，并且兩者具有穩定的線性關系，包含放大后的模擬波形和輸入波形具有完全相同的包絡線。開關狀態要求晶體管的基極電流達到Icm / hfe，并且其集電極電流馬上上升到Icm，并且不應執行過渡過程。但是實際上，這是不可能的，因為晶體管使用其放大特性在開關狀態下工作。

任何晶體管的IC-IB特性都是和x軸成肯定角度的對角線。 斜線的斜率（即夾角）將永遠不垂直于X軸（即hfe不會是無限的）。 然后，還必須根據斜線定律將Ir從零操縱到Icm，因此打開/關閉它需要肯定的時間。

其它，雙極晶體管的基本放大原理還需要肯定的時間來切換。晶體管處于放大狀態。 公共基極放大狀態下的高截止頻率（fT）和高頻率（fa）表示晶體管可以工作的頻率范圍。但是，fT和fa不能精確地表示晶體管的開關特性。 完管fT和fa越高，晶體管的開關特性越好，但是一些具有相同fr和fa的晶體管具有不同的開關特性。因此，晶體管的開關特性通常用開關的導通時間ton和截止時間toff表示。

導通時間是指在添加基本驅動脈沖后，集電極電流達到飽和值的90％所需的時間。為了排解驅動電流的影響，假定施加在基極和發射極之間的操縱電流是理想的矩形波，如下圖所示。當基極電流以垂直于X軸的特性上升時，集電極電流Ic不會相應增加，而是具有延遲時間t。此時，lc緩慢上升至Icm的10％。延遲時間的原因是，當晶體管處于截止狀態時，基極區基本沒有電子。 當操縱電壓突然增加時，發射極結應為VB≥+ 0。在6V的電壓下，輸入電流必須連續對發射極結電容充電，以減小PN結的內部電場，然后將電子發射到基極區，因此要花費一段時間（ta）。ta和發射極結的電容成正比，和發射極結的面積成反比。開關管的功率越大，相應的發射結面積將相應增加，因此有必要減小t。更加困難。

發射極結的充電速度不僅和輸入驅動脈沖的內部電阻有關，而且和晶體管的截止有關。如果晶體管處于深度截止狀態（即，反向偏置太大），ta也會變慢。當Ic達到10％Icm時，Ic和IB在驅動脈沖的作用下線性增加。

它的生長速率，即Ic曲線從10％到90％的斜率，等于管的hfe。

如前所述，曲線的該段不能是垂直線，因此形成上升時間tr。顯然，晶體管的hfe越大，Tr越短。在延遲時間和上升時間之后，晶體管Ic = Icm的90％認為它已經導通并且開關閉合，因此導通時間為ta + tr。當驅動脈沖回落到零時，將需要一些時間來關閉電源。

當開關飽和時，基極區域必須積存更多的電荷，并且集電極結將形成空穴積存。 在飽和過程中，必須發生IB> IC / hFE，這是晶體管進入飽和區域的可靠保證。但是，如果IB比IC / hFE大得多，也就是說，在過飽和狀態（或深飽和狀態）下，存儲在基極區中的電荷越多，集電極結中空穴的積存越嚴峻。 當驅動脈沖被切斷時，所存儲的電荷耗散時間越長，因此，在驅動脈沖被切斷之后，將Ic從90％減小到10％的時間被稱為存儲時間ts。從三極管結構的角度來看，基極區和集電極區越薄，存儲的電荷量越小，tr越小。在ts之后，晶體管隨著存儲時基的正偏壓逐漸消逝，并且Ic相應地減小，從而形成下降時間tf。

存儲時間ta + tf構成關閉時間。開啟時間和關閉時間首先取決于晶體管的結構和工藝，然后取決于設計合理的開關驅動電路。

導通時間和截止時間構成了開關管的導通損耗和截止損耗。因為在此期間，晶體管處于放大區域，其管電壓降將不可幸免地增加，并且功耗將相應增加。根據和此相同的原理，二極管也具有開/關時間。 但是，在開關電源中，重要的是二極管的反向恢復時間。當二極管導通時，施加的脈沖降至零，并且二極管不會馬上關閉。 返回截止點需要一些時間（由于和上述相同的原因）。當工作頻率增加時，二極管無法在正向脈沖后及時恢復，并且其單向導電性會導致電路處于短路狀態。除了PN結和N電容外，二極管的恢復時間還和工藝結構有關。 因此，存在一般的工頻整流二極管，快速恢復二極管和肖特基二極管。

一般工頻整流二極管的正向壓降在1V至2V的范圍內，其增加程度隨耐壓的增加而增加。目前，其大背壓可以達到5kV以上，大整流電流可以達到kA以上。所謂工頻不僅指頻率，還指波形是正弦波，其反向恢復時間相對較慢。 因此，該二極管不適用于方波逆變器中的整流和阻尼。在開關電源中，它只能用于交流電源整流。

快速恢復二極管意味著反向恢復時間為50？在200ns的范圍內，它可以用于100kHz。以下開關管的開關脈沖整流，鉗位和阻尼電路的參數和生產過程有關。 快的反向恢復時間屬于通過外延方法生產的二極管。一般手冊中列出的大背壓是其擊穿電壓的80％，選擇時應注意留有適當的余量。

肖特基二極管SBD是多數載流子單向導電器件，其開關時間特別短，通常為50到100 ns。其大特點是：

理論上，前向壓降為零。3？0。5V，額定電流不超過0。6嗎0。8V，比PN結二極管的大正向壓降低1V 2V？1次，因此進行低壓大電流脈沖整流是特別有益的。但是，肖特基二極管的反向電壓特別低，大多低于40V，只有少數產品可以達到100V。一種用于低壓輸出開關電源和大電流低壓脈沖整流電路

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