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三极管设计电源的开关电路(二)

本篇文章将继续介绍三极管的开关电路,希望与大家一起学习进步!也欢迎读者朋友关注、收藏、分享和点赞,感谢支持!

在《三极管设计逻辑取反电路(一)》的文档中,基于三极管的特性,将逻辑取反电路的参数进行了详细的计算,并给出了电阻取值的理由,但选型中没有对非常重要的一个器件——三极管进行分析。下面一起看看对于“逻辑取反”电路和常见的开关电源里面的“开关电路”使用的三极管在选型方面有哪些需要注意的地方。

01. 逻辑取反电路

在逻辑取反电路中,控制信号幅值为5V,低压小信号,如果此时电源VCC电压的幅值较大,是高压信号。此时的电阻R5为阻性负载,Uce的波形如下:

当开关S0闭合时,三级管Q3饱和导通,根据电路理论:Uce+Ur=VCC,由于此时Q3的导通,压降几乎为0,则此时Uce=0;

当开关S0断开时,三级管Q3截止,根据电路理论:Uce+Ur=VCC,由于此时Q3未导通,电路中没有电流,则Ur=0V,此时的Uce=VCC。

因此Uce的波形如上图2波形所示。在幅值上Uce比5V大,在相位上和控制信号相反。电路既能实现逻辑取反,也能实现电平转换,同时还是小信号控制大信号理念的体现。

在《三极管设计逻辑取反电路(一)》中针对三级管开通和关断的时间,进行了电阻的调整,但是未对三极管集电极承受的电压进行计算。从Uce的波形上可以看出,如果三极管要能正常的开通和关断,在集电极承受的电压最小为0V,最大为VCC。

考虑到安全裕量,开关管的耐压值Uce=(1.2~1.5)xVCC

举例:根据2N3904数据手册,三极管的VCE最大为40V。如果将该型号的三极管用在电路中,VCC的电压不能超过40/1.5=28V,即在VCC电压为30V以下的电路都是比较安全的。

02. 开关电源的开关电路

在逻辑取反电路中,集电极和VCC之间接的R5为阻性负载,如果将阻性负载改为感性负载——电感(变压器)。这种电路在隔离式开关电源的拓扑中会经常看到,如下图的反激式拓扑所示。

为了方便分析,将隔离式开关电源的中的开关电路部分进行单独分析,如下图5所示。

如果测试2N3904的Uce之间的波形,在示波器上经常会看到下面的波形,即在方波上还有一个振荡的波形。

如果用示波器测量Uce波形幅值,会发现振荡波形的中心电压为VCC,而波形的最大值远大于VCC,几乎是VCC的2倍。

下面分析一下上述波形的形成的原因。

当开关S0闭合时,此时三极管饱和导通,Uce的电压基本上为0,不需要做深入的分析。从示波器的波形也可以看出,Uce为低电平时,波形非常干净。

当开关S0断开时,此时三极管截止,由于在电路开通阶段,电感中有电流流过,电感储存了一部分能量, 现在开关S0突然关断即三极管也关断。由电感的特性可知,此时电感必然会感应出一个电动势来阻碍电流的减小,产生的感应电动势方向为图示中红色的方向,即下正下负。

此时有VCC+UL=Uce,即在三极管截止关断的一瞬间,Uce的电压从VCC瞬间突变到的非常高,如下图8中的M点。

M点的出现是因为三极管的关断,能量和电流一样不能突变,电感中储存的能量会因为没有释放通路,产生尖峰电压即dv/dt比较大。同时,由于生产工艺的原因,在绕制的电感线圈之间存在分布电容,这部分能量会对分布电容充电,对电容充电的过程,Uce会慢慢下降,电容充满以后反过来对电感充电,该过程会一直持续几个周期。

考虑到电感自身电阻以及线路的铜耗,电压会不断降低,振荡的过程为阻尼振荡,也称为振铃现象。当电感中的电流为0以后,能量释放完毕,此时的Uce被电源钳位在VCC电压。

一般在电路中只要出现振荡,那必不可少的两个元器件L,C。根据电感自身的特性,将电感线圈绕组间的分布电容等效为一个电容,且它和电感L进行并联。等效电路如下图10所示。

  • 在三级管关断时,此时电感的感生电势电压方向为下正上负,对电容充电,电容下正上负。
  • 电容充满以后,又对电感放电,此时电容的电压方向还是下正上负,电感为了阻碍电容的充电,感生电势的电压下正上负。
  • 电容的电放完以后,电感为了维持被充电的状态,产生感生电势的方向变为上正下负,继续对电容反向充电。
  • 电容充满以后,又对电感放电,此时电容的电压方向还是上正下负,电感为了阻碍电容的充电,感生电势的电压上正下负。

上面充电、放电的循环往复,加上电路的线阻,就形成了上述振铃的现象。

分析完上面波形产生的原理,显然三极管集电极的耐压和逻辑取反电路的耐压值选取原则不一样。

考虑到三极管的安全性和裕量,耐压值至少为2倍的VCC,即Uce=(2~2.5)xVCC

举例:如果VCC是AC220整流后的电压,即为310V,按照上面给出的选项原则,选一个耐压值为800V左右的三极管即可。问题来了,如果选择一个耐压值为1500V的三极管,不是更安全吗?

根据图3的2N3904的数据手册可知,Uce的耐压值为40V,下图是2N2904三极管Uce的饱和压降值为0.2V。

再看看三极管HM13002的数据手册,Uce耐压值为800V,而此时Uce饱和压降为0.8V。

从上面的数据可以看出,如果选择开关管耐压值越高,饱和压降会越大。饱和压降越大,三极管在开通的时候虽然能够承受更高的电压,但由P=U*I可知,此时三极管的功耗增加,三极管会发热严重!

因此,在开关电源的开关管(BJT、MOS)选型中,并不是耐压值越大越好,需要综合考虑。

通过利用三极管设计“逻辑取反电路”和“开关电路”可以发现,在实际电路中,对某一个器件的选择,并不是只要参数满足它就可以使用,往往要结合多方面进行折中考虑。

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