【導(dǎo)讀】隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展和新型元器件的問(wèn)世，開(kāi)關(guān)電源以其體積小、重量輕、效率高、對(duì)電網(wǎng)電壓適應(yīng)范圍寬等優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越受到大家的青睞，在絕大多數(shù)領(lǐng)域中取代了傳統(tǒng)的線性電源并被廣泛地應(yīng)用于不同的電子產(chǎn)品中。
在大部分的開(kāi)關(guān)電源中， 功率開(kāi)關(guān)晶體管工作在高電壓、大電流的高頻脈沖狀態(tài)下，在這種條件下的開(kāi)與關(guān)會(huì)給晶體管造成很大的沖擊。二次擊穿是造成晶體管損壞的重要原因之一。要設(shè)計(jì)出高性能、高可靠性的開(kāi)關(guān)電源， 清楚地了解晶體管二次擊穿的有關(guān)知識(shí)和避免措施很有必要。
本文分析了晶體管二次擊穿的現(xiàn)象和產(chǎn)生原因， 并結(jié)合開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)實(shí)際， 介紹了緩沖回路的應(yīng)用及其它有關(guān)晶體管防護(hù)措施。
1 二次擊穿的原因
二次擊穿主要是由于器件體內(nèi)局部溫度過(guò)高造成。溫度升高的原因是當(dāng)正向偏置時(shí)由熱不均衡性引起， 反向偏置時(shí)由雪崩擊穿引起。
因?yàn)榫w管的熱阻在管子內(nèi)部各處分布是不均勻的， 在一些薄弱的區(qū)域， 溫升將比其它部分高，形成所謂"熱點(diǎn)", 局部溫引起局部電流增加， 電流增加又使溫度升高， 如此循環(huán)直至一個(gè)臨界溫度，造成管子的擊穿。
雪崩擊穿引起的二次擊穿是由于發(fā)生一次雪崩擊穿后， 在某些點(diǎn)上因電流密度過(guò)大， 改變了結(jié)的電場(chǎng)分布， 產(chǎn)生負(fù)阻效應(yīng)從而使局部溫度過(guò)高的一種現(xiàn)象。
2 避免二次擊穿的措施
開(kāi)通與關(guān)斷損耗是影響開(kāi)關(guān)器件正常運(yùn)行的重要因素。尤其是晶體管在動(dòng)態(tài)過(guò)程中易產(chǎn)生二次擊穿的現(xiàn)象， 這種現(xiàn)象又與開(kāi)關(guān)損耗直接相關(guān)， 所以減少自關(guān)斷器件的開(kāi)關(guān)損耗是正確使用器件的必備措施。要減少損耗可通過(guò)兩條途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)：
（1） 在盡量低的集- 射極電壓（ Vce ） 下關(guān)斷晶體管；
（2） 射極電壓升高過(guò)程中關(guān)斷晶體管要盡量減小射極電流。引入緩沖電路是達(dá)到上述目的途徑之一。
3 開(kāi)關(guān)電源中可選用的緩沖電路
在開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)中可選用下列緩沖電路， 以確保晶體管在安全區(qū)（SOA） 內(nèi)運(yùn)行。
1）常用的關(guān)斷緩沖電路是一種耗能式關(guān)斷緩沖電路。它雖然耗能較多， 但電路簡(jiǎn)單。如圖1 所示。
圖1：常用的關(guān)斷緩沖回路
它由RCD 網(wǎng)絡(luò)與晶體管開(kāi)關(guān)并聯(lián)組成。當(dāng)晶體管關(guān)斷時(shí)， 負(fù)載電流經(jīng)二極管D 給電容C充電，使管子的集電極電流逐漸減小。因?yàn)殡娙軨 兩端電壓不能突變， 故而其集電極電壓受到牽制。避免了集電極電壓與電流同時(shí)達(dá)到最大值的情況， 因而不會(huì)出現(xiàn)最大的瞬時(shí)尖峰功耗。管子開(kāi)通時(shí)， 電容放出能量并將其消耗在電阻上。
2）兩種常用的耗能式開(kāi)通緩沖電路。
a.具有非飽和電抗的開(kāi)通緩沖電路（圖2） : 電感- 二極管網(wǎng)絡(luò)與晶體管集電極串聯(lián)， 形成開(kāi)通緩沖電路。當(dāng)管子開(kāi)通時(shí)， 在集電極電壓下降期間， 電感Ls 控制電流的上升率di/ dt .當(dāng)管子關(guān)斷時(shí)，貯存在電感Ls 中的能量1/ 2（LsI2m） 通過(guò)二極管Ds 續(xù)流，其能量消耗在Ds 和電抗器的電阻中。
圖2：具有非飽和電抗的開(kāi)通緩沖回路
b. 具有飽和電抗器的開(kāi)通緩沖電路（圖3） : 采用開(kāi)通緩沖電路的目的就是為了使正在開(kāi)通的晶體管在集電極電流較小時(shí)， 集電極電壓就下降至0 , 以使開(kāi)通損耗最小。特別對(duì)電感性負(fù)載效果更為顯著。設(shè)計(jì)的飽和電抗器應(yīng)作到： 集電極電壓下降到零后， 緩沖電抗器處于飽和態(tài)； 在飽和前， 即集電極電壓下降到零前， 電抗器呈高阻， 流過(guò)管子的磁化電流很小從而達(dá)到減小開(kāi)通損耗的目的。
圖3：具有飽和電抗的開(kāi)通緩沖回路
3）無(wú)源回饋關(guān)斷緩沖電路（圖4）： 圖中Co 為轉(zhuǎn)移電容， Dc 為回饋二極管，由這兩個(gè)元件將能量回饋到負(fù)載上。當(dāng)管子關(guān)斷時(shí)，緩沖電容Cs 充電至電源電壓Vcc ,在管子下一次開(kāi)通時(shí)，負(fù)載電流從續(xù)流二極管Df 轉(zhuǎn)移至晶體管。同時(shí)， Cs 上的電壓諧振到Co 上。 當(dāng)管子再關(guān)斷時(shí)，電容Cs 再次充電，電容Co向負(fù)載放電，能量得到回饋。
圖4：無(wú)源回饋關(guān)斷緩沖回路
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4）無(wú)源回饋開(kāi)通緩沖電路（圖5） :此電路通過(guò)變壓器將磁場(chǎng)貯能回饋到電源。變壓器為雙線繞制，其原邊具有一定電感；幅邊的極性與原邊相反，并且接有反向二極管。管子開(kāi)通時(shí)，原邊承受全部電源電壓，副邊無(wú)通電回路。管子關(guān)斷時(shí)，副邊感應(yīng)電壓極性換向，當(dāng)其電壓高于電源電壓Vcc 時(shí)， 向電源饋送能量。
圖5：無(wú)源回饋開(kāi)通緩沖回路
5）復(fù)合緩沖電路： 將開(kāi)通緩沖電路與關(guān)斷緩沖電路結(jié)合在一起， 則形成復(fù)合緩沖電路， 在晶體管開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)復(fù)合緩沖電路均有保護(hù)作用。這種電路也分為耗能式和饋能式兩類。
a. 耗能式復(fù)合緩沖電路（圖6） : 在管子開(kāi)通時(shí)， 緩沖電容經(jīng)Cs 、Rs 、Ls 回路放電， 減少了管子承受的電流上升率。此外，在管子開(kāi)通時(shí)，電感Ls 還可限制續(xù)流二極管Df 的反向恢復(fù)電流。
圖6：耗能式復(fù)合緩沖回路
b. 饋能式復(fù)合緩沖電路（圖7） : 當(dāng)晶體管關(guān)斷時(shí)， 電容Co和電感Ls 并聯(lián)運(yùn)行，將貯存的能量饋送到負(fù)載。當(dāng)電容Co 放電時(shí)，電感Ls 上的電壓逐漸減小為0 ,在這段時(shí)間內(nèi)負(fù)載電流經(jīng)續(xù)流二極管Df 導(dǎo)通。
圖7：饋能式復(fù)合緩沖回路
上述各種緩沖電路不外乎分為兩大類型，即耗能式和饋能式。耗能式線路簡(jiǎn)單但相對(duì)耗能較高，適合于較小功率電源使用。饋能式線路復(fù)雜，但在大功率電源中，如果將緩沖電路所耗散的能量以熱的形式散發(fā),勢(shì)必造成很大麻煩，因此，要采用饋能式緩沖電路。
4 其它保護(hù)措施
傳統(tǒng)上我們?cè)陂_(kāi)關(guān)電源輸入單元的設(shè)計(jì)中， 在整流橋和濾波電容之間加入一個(gè)線繞電阻或負(fù)溫系數(shù)的熱敏電阻R , 用以抑制開(kāi)啟瞬間的浪涌電流， 同時(shí)它在某種程度上延緩了濾波電容兩端電壓的上升速度（如圖8 示） .設(shè)計(jì)中要在電壓達(dá)一定值時(shí)就使脈寬調(diào)制IC 工作， 再配合IC 上所設(shè)的軟啟電路， 使得功率晶體管在相對(duì)低的電壓下以相對(duì)短的導(dǎo)通時(shí)間開(kāi)始工作， 并逐步達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。設(shè)計(jì)好這個(gè)時(shí)序， 能很好地提高電源的可靠性。圖中的可控硅SCR 一般用在較大功率電源中， 其控制端與功率變壓器的一個(gè)副繞組相連， 在電源正常工作后使其導(dǎo)通， 以減小功耗。
圖8：傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源中的輸入單元
筆者在1000W半橋式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)中， 首次用一個(gè)單向可控硅代替前端AC 輸入整流橋的一個(gè)橋臂， 其控制端由主變壓器的一個(gè)副繞組來(lái)控制（如圖9 所示） .這樣， 在電源接通的初始態(tài)， 該整流橋處于半波整流態(tài)。待電源啟動(dòng)后， 可控硅導(dǎo)通， 整流橋轉(zhuǎn)為全波整流。由此可達(dá)到降低啟動(dòng)電壓的目的。同時(shí)， 還可有效地抑止浪涌電流。實(shí)踐證明， 該電路簡(jiǎn)單可靠很值得大家借鑒。
圖9：實(shí)用軟啟動(dòng)電路
結(jié)束語(yǔ)
有效地避免主開(kāi)關(guān)管的二次擊穿是提高開(kāi)關(guān)電源可靠性的關(guān)鍵， 也是值得研究的一個(gè)課題。當(dāng)前， 開(kāi)關(guān)電源正朝著高頻化、大功率化的方向發(fā)展， 上面所討論的問(wèn)題會(huì)顯得更為突出。應(yīng)引起足夠的重視。
