開(kāi)關(guān)電源中功率晶體管的二次擊穿現象及防護措施

　　隨著(zhù)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、對電網(wǎng)電壓適應范圍寬等優(yōu)勢， 越來(lái)越受到大家的青睞， 在絕大多數領(lǐng)域中取代了傳統的線(xiàn)性電源并被廣泛地應用于不同的電子產(chǎn)品中。

　　我們知道， 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。要設計出高性能、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)知識和避免措施很有必要。

　　現就雙極型晶體三極管的二次擊穿問(wèn)題作一分析， 并探討有效的解決辦法。

　　1 關(guān)于二次擊穿及防護

　　1.1 二次擊穿的原因

　　二次擊穿主要是由于器件體內局部溫度過(guò)高造成。溫度升高的原因是當正向偏置時(shí)由熱不均衡性引起， 反向偏置時(shí)由雪崩擊穿引起。

　　因為晶體管的熱阻在管子內部各處分布是不均勻的， 在一些薄弱的區域， 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， 改變了結的電場(chǎng)分布， 產(chǎn)生負阻效應從而使局部溫度過(guò)高的一種現象。

　　1.2 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)生二次擊穿的現象， 這種現象又與開(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：

　?。?） 在盡量低的集- 射極電壓（ Vce ） 下關(guān)斷晶體管；

　?。?） 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。引入緩沖電路是達到上述目的途徑之一。

　　1.3 開(kāi)關(guān)電源中可選用的緩沖電路

　　在開(kāi)關(guān)電源的設計中可選用下列緩沖電路， 以確保晶體管在安全區（SOA） 內運行。

　　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。當晶體管關(guān)斷時(shí)， 負載電流經(jīng)二極管D 給電容C充電，使管子的集電極電流逐漸減小。因為電容C 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)達到最大值的情況， 因而不會(huì )出現最大的瞬時(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。特別對電感性負載效果更為顯著(zhù)。設計的飽和電抗器應作到： 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 為轉移電容， Dc 為回饋二極管，由這兩個(gè)元件將能量回饋到負載上。當管子關(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)，負載電流從續流二極管Df 轉移至晶體管。同時(shí)， Cs 上的電壓諧振到Co 上。 當管子再關(guān)斷時(shí)，電容Cs 再次充電，電容Co向負載放電，能量得到回饋。

　　圖4 無(wú)源回饋關(guān)斷緩沖回路

　　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(xiàn)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)，副邊感應電壓極性換向，當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） 復合緩沖電路： 將開(kāi)通緩沖電路與關(guān)斷緩沖電路結合在一起， 則形成復合緩沖電路， 在晶體管開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)復合緩沖電路均有保護作用。這種電路也分為耗能式和饋能式兩類(lèi)。

　　a. 耗能式復合緩沖電路（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 還可限制續流二極管Df 的反向恢復電流。

　　圖6 耗能式復合緩沖回路

　　b. 饋能式復合緩沖電路（圖7） ： 當晶體管關(guān)斷時(shí)， 電容Co和電感Ls 并聯(lián)運行，將貯存的能量饋送到負載。當電容Co 放電時(shí)，電感Ls 上的電壓逐漸減小為0 ，在這段時(shí)間內負載電流經(jīng)續流二極管Df 導通。

　　圖7 饋能式復合緩沖回路

　　上述各種緩沖電路不外乎分為兩大類(lèi)型， 即耗能式和饋能式。耗能式線(xiàn)路簡(jiǎn)單但相對耗能較高，適合于較小功率電源使用。饋能式線(xiàn)路復雜， 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)， 勢必造成很大麻煩， 因此， 要采用饋能式緩沖電路。

　　1.4 其它保護措施

　　傳統上我們在開(kāi)關(guān)電源輸入單元的設計中， 在整流橋和濾波電容之間加入一個(gè)線(xiàn)繞電阻或負溫系數的熱敏電阻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） 。設計中要在電壓達一定值時(shí)就使脈寬調制IC 工作， 再配合IC 上所設的軟啟電路， 使得功率晶體管在相對低的電壓下以相對短的導通時(shí)間開(kāi)始工作， 并逐步達到穩定狀態(tài)。設計好這個(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通， 以減小功耗。

　　圖8 傳統開(kāi)關(guān)電源中的輸入單元

　　筆者在1000W半橋式開(kāi)關(guān)電源的設計中， 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， 可控硅導通， 整流橋轉為全波整流。由此可達到降低啟動(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

　　2 結束語(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。當前，