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单片开关电源关键元器件的选择(续)           
单片开关电源关键元器件的选择(续)
作者:佚名 文章来源:不详 点击数: 更新时间:2008-9-24 9:27:23
沙占友,睢丙东,杜之涛
河北科技大学,河北石家庄050054

4瞬态电压抑制器
   瞬态电压抑制器亦称瞬变电 压抑制二极管,其英文缩写为TVS(TransientVoltage Suppressor),是一种新型过压保护器件。由于它 的响应速度极快、钳位电压稳定、体积小、价 格低,因此可作为各种仪器仪表、自控装置和 家用电器中的过压保护器,还可用来保护单片 开关电源集成电路、MOS功率器件以及其它对电 压敏感的半导体器件。
   瞬态电压抑制器是一种硅PN结器件, 其外型与塑封硅整流二极管相似,见图1(a) 。常见的封装形式有DO-41、A27K、A37K,它们在75 ℃以下的额定脉冲功率分别为2W、5W、15W,在25 ℃、  s条件下可承受的浪涌电流分别可达 50A、80A、200A。外形尺寸有

   瞬态电压抑制器在承受瞬态高电 压(例如浪涌电压、雷电干扰、尖峰电压)时 ,能迅速反向击穿,由高阻态变成低阻态,并 把干扰脉冲钳位于规定值,从而保证电子设备 或元器件不受损坏。钳位时间定义为从零伏达 到反向击穿电压最小值所需要的时间。TVS的钳 位时间极短,仅1ns,所能承受的瞬态脉冲峰值 电流却高达几十至几百A。其性能要优于压敏电 阻器(VSR),且参数的一致性好。
   TVS器件分为单向瞬态电压抑制器、 双向瞬态电压抑制器两种类型。国内外产品有 TVP、SE、5KP、P6KE、BZY、BZT等系列。单片开关电源 中常用的TVS产品型号见表1。需要说明几点
   1)表中的P为额定功率,t是钳位时 间(典型值);
   2)对于P6KE系列,靠近白色环为正极 ;
   3)TVS也可串联或并联使用,以提高 峰值脉冲功率,但在并联时各器件的UB值 应相等。
   双向瞬态电压抑制器的典型产品有 P6KE20、P6KE250等。这类器件能同时抑制正向、负向 两种极性的干扰信号,适用于交流电路中。

5快恢复及超快恢复二极管
   快恢复二极管(FRD)和超快恢 复二极管(SRD)是极有发展前途的电力电子半 导体器件。它们具有开关特性好、反向恢复时 间短、耐压高、正向电流大、体积小、安装简 便等优点。可广泛用于脉宽调制器、单片开关 电源、不间断电源(UPS)、高频加热装置、交 流电机变频调速等领域,作为高频、大电流的 整流二极管、续流二极管或阻塞二极管。下面 介绍其性能特点和选取原则。
5.1快恢复及超快恢复二极管的性能特点
   1)反向恢复时间
   反向恢复时间trr的定义是电流通过 零点由正向转向反向,再由反向转换到规定低 值的时间间隔。它是衡量高频整流及续流器件 性能的重要技术指标。反向电流的波形如图2所 示。图中,IF为正向电流,IRM为最大反向 恢复电流,Irr为反向恢复电流,通常规 定Irr=0.1IRM。当t≤t0时,iF=IF。 当t>t0时,由于整流管上的正向电压突 然变成反向电压,因此正向电流迅速减小,在 t=t1时刻,iF=0。然后整流管上流过 反向电流iR,并且iR逐渐增大;在 t=t2时刻达到最大反向电流IRM。此后反向 电流逐渐减小,并且在t=t3时刻达到规定 值Irr。从t2到t3的反向恢复过 程与电容器放电过程有相似之处。由t1到 t3的时间间隔即为反向恢复时间trr

   2)快恢复二极管的结构特点
   快恢复二极管的内部结构与普通二 极管不同,它是在P型、N型硅材料中增加了基 区I,构成P-I-N硅片。由于基区很薄,反向恢 复电荷很小,不仅大大减小了trr值,还降低了 瞬态正向电压,使管子能承受很高的反向工作 电压。快恢复二极管的反向恢复时间一般为几 百ns,正向压降为0.6~0.7V,正向电流是几A至几 kA,反向峰值电压可达几百V至几kV。超快恢复二 极管则是在快恢复二极管基础上发展而成的, 其反向恢复电荷进一步减小,trr值可低至几十 ns。20A以下的快恢复二极管及超快恢复二极管 大多采用TO220封装。从内部结构看,可分成单 管、对管两种。对管内部包含两只快恢复或超 快恢复二极管,根据两只二极管接法的不同, 又有共阴对管、共阳对管之分。几十A的快恢复 、超快恢复二极管一般采用TO3P金属壳封装, 更大容量(几百A至几kA)的管子则采用螺栓型 或平板型封装。
5.2选择方法
   在单片开关电源中,一般采用超 快恢复二极管作为阻塞二极管、输出整流管或 反馈电路中的整流管。
   1)阻塞二极管
   在初级保护电路中与钳位二极管( TVS)配套使用的阻塞二极管(VD1),须用超快 恢复二极管。其反向恢复时间trr≤75ns,多数管 子在20ns~50ns之间。典型产品有美国通用仪器 公司(GI)生产的UF4000、UF5400两大系列,荷兰飞 利浦公司生产的BYV26系列、BYV27系列、BYW29系列, 美国摩托罗拉公司生产的MUR100系列。选取原则 见表2。

   2)输出整流管
   超快恢复二极管适合作为开关电源 的高压、大电流整流管。设整流管实际承受的 最大反向峰值电压为U(BR)S,所选整流管的 最高反向工作电压为URM,要求URM≥ 2U(BR)S,其额定整流电流Id≥3IOM,IOM为 最大连续输出电流。
   3)反馈电路中的整流管
   反馈电路中的整流管通常选硅高频 开关整流管1N4148,但有时也可选用UF4003、MUR120、 BAV21等型号的超快恢复二极管。
6肖特基二极管
6.1肖特基二极管的性能特点
   肖特基势垒二极管(SchottkyBarrier Diode,英文缩写为SBD)简称肖特基二极管或肖特 基管。它属于低压、低功耗、大电流、超高速 半导体功率器件,其反向恢复时间极短(可小 到几ns),正向导通压降仅为0.4V左右,而整流电 流却可达几百A至几kA。这些优良特性是快恢复 二极管及超快恢复二极管所不具备的。它适合 作为开关电源中的低压整流管。
   肖特基二极管是以金、银、钼等贵 金属为阳极,以N型半导体材料为阴极,利用二 者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的 金属半导体器件。肖特基二极管仅用一种载 流子(电子)输送电荷,在势垒外侧无过剩少 数载流子的积累,因此它不存在电荷储存效应 ,使开关特性得到明显改善。其反向恢复时间 可缩短到10ns以内。但它的反向耐压较低,一般 不超过100V。利用其正向导通压降低的特性,能 提高开关电源的效率。肖特基二极管的典型伏 安特性如图3所示。其正向导通压降介于锗管与 硅管之间,但它的构造原理与PN结二极管有着 本质区别。表3列出了肖特基二极管、超快恢复 二极管、快恢复二极管、高频硅整流管的性能 比较。中、小功率肖特基二极管大多采用TO-220封 装。




6.2常用肖特基二极管的选取原则及产品型号
   开关电源的输出整流管宜采用肖 特基二极管,这有利于提高电源效率。典型产 品有Motorola公司生产的MBR系列肖特基二极管。所 选肖特基管必须满足条件

   举例说明,某单片开关电源的输出 电压UO=12V,最大连续输出电流IOM=5A,最大 输出功率POM=60W。已知高频变压器的初级 匝数NP=54匝,次级匝数NS=5匝,直流输入电 压最大值UImax=375V(对应于交流输入电压最大值umax=265 V)。由式(3)可计算出U(BR)S=46.7V。再根 据式(1)求得URM≥93.4V。将IOM=5A代 入式(2)中得到Id≥15A。此时可选择 Motorola公司生产的MBR20100型肖特基二极管,其URM=100 V>93.4V,Id=20A>15A,trr<10ns,完 全能满足上述条件。
   需要指出,肖特基二极管的最高反 向工作电压一般不超过100V,仅适合作低压、大 电流整流用。当UO≥30V时,须用耐压100V以 上的超快恢复二极管来代替肖特基二极管,此 时电源效率略有下降。
7自恢复保险丝
7.1自恢复保险丝的性能特点
   自恢复保险丝(ResettableFuse)的英 文缩写为RF。它是20世纪90年代问世的一种新型 过流保护器件。传统的保险丝属于一次性过流 保护器,使用很不方便。美国硅谷的瑞侃( Raychem)公司最近研制成功由聚合物(polymer)掺 加导体而制成的自恢复保险丝,圆满地解决了 上述难题。它具有体积小、种类规格齐全、开 关特性好、能自行恢复、反复使用、不需维修 等优点。其中,RXE系列为圆片形,RUE系列属方 形,miniSMD为小型化表面安装器件,SRP系列为片 状。
   自恢复保险丝具有开关特性,亦称 之为聚合物开关(polyswitch)。内部由高分子晶 状聚合物和导电链构成。由于聚合物能将导电 链紧密地束缚在晶状结构上,因此常态下的电 阻非常低,仅为零点几Ω左右。当工作电流通 过自恢复保险丝时所产生的热量很小,不会改 变聚合物内部的晶状结构。当发生短路故障时 ,电流急剧增大,导电链产生的热量使聚合物 从晶状胶体变成非晶状胶体,原本被束缚的导 电链便自行分离断裂,器件的电阻值就迅速增 加几个数量级,呈开路状态,立即将电流切断 ,起到保护作用。而一旦过流故障被排除掉, 器件很快又恢复成低阻态。正是这种“低阻( 通态)超高阻(断态)”的可持续转换,才 使之能反复使用而无须更换。

   自恢复保险丝的电阻-温度特性 如图4所示,共分5个阶段:当温度较低时,其 发热量与散热量达到动态平衡(阶段1);即使 电流稍大或环境温度略微升高,增加的热量仍 可散发到空气中(阶段2);但是,若电流进一 步增大(阶段3),直至发热量大于散热量时( 阶段4),自恢复保险丝的温度就会迅速升高, 很小的温度变化量就会造成电阻值急剧增大, 阻挡住电流通过,保护设备免受损害;阶段5则 属于禁用区。在过流故障消除后的几s之内,随 着温度的降低,电阻值又迅速减小。
   需要指出,自恢复保险丝也具有正 温度系数(PTC)特性,但与具有正温度系数特 性的热敏电阻有着本质区别。它属于高分子聚 合物-导体,而PTC元件是由钛酸钡与稀土元素 烧结而成的陶瓷材料;此外PTC元件在常温下的 电阻值较大,不适合作保险丝使用。
7.2典型应用
   自恢复保险丝可广泛用于开关电 源、电子仪器、家用电器、计算机和通信设备 中,起到自动保护作用。将自恢复保险丝直接 串在单片开关电源的直流电压输出端,即可实 现过流保护功能。需要注意,自恢复保险丝一 般用作低压过流保护,不能用于220V交流电压。

参考文献

[1]沙占友.模拟与数字万用表检测及应用技 术[M].北京:电子工业出版社,2000.
[2]沙占友,睢丙东.单片开关电源保护电路的设 计[J].电工技术,2000.(12)

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