單片開關(guān)電源關(guān)鍵元器件的選擇（續(xù)）

第八講

單片開關(guān)電源關(guān)鍵元器件的選擇（續(xù)）

關(guān)鍵詞：瞬態(tài)電壓抑制器；快恢復(fù)二極管；超快恢復(fù)二極管；自恢復(fù)保險絲

4瞬態(tài)電壓抑制器

瞬態(tài)電壓抑制器亦稱瞬變電壓抑制二極管，其英文縮寫為TVS（TransientVoltageSuppressor），是一種新型過壓保護(hù)器件。由于它的響應(yīng)速度極快、鉗位電壓穩(wěn)定、體積小、價格低，因此可作為各種儀器儀表、自控裝置和家用電器中的過壓保護(hù)器，還可用來保護(hù)單片開關(guān)電源集成電路、MOS功率器件以及其它對電壓敏感的半導(dǎo)體器件。瞬態(tài)電壓抑制器是一種硅PN結(jié)器件，其外型與塑封硅整流二極管相似，見圖1（a）。常見的封裝形式有DO－41、A27K、A37K，它們在75℃以下的額定脈沖功率分別為2W、5W、15W，在25℃、s條件下可承受的浪涌電流分別可達(dá)50A、80A、200A。外形尺寸有?2.0×4.1、?2.7×5.2、?5.0×9.4（mm）等規(guī)格。其鉗位電壓從0.7V到3kV。TVS的符號與穩(wěn)壓管相同，見圖1（b），伏安特性如圖1（c）所示。圖1(c)中，UB、IT分別為反向擊穿電壓（即鉗位電壓）、測試電流。UR為導(dǎo)通前加在器件上的最大額定電壓。有關(guān)系式UR=0.8UB。IR是最大峰值漏電流。UC是在1ms時間內(nèi)器件可承受的最大峰值電壓。有關(guān)系式UC>UB>UR。IP是瞬時脈沖峰值電流。因IP、IT、IR分別屬于A、mA、μA這三個數(shù)量級，故IP?IT?IR。TVS的峰值脈沖功率PP與干擾脈沖的占空比（D）以及環(huán)境溫度（TA）有關(guān)。當(dāng)D↓時PP↑，反之亦然。而當(dāng)TA↓時PP↑。PP值通常是在脈寬1ms、脈沖上升沿為10μs、D=0.01％的條件下測出的，使用時不得超過此值。

(a)外形(b)符號(c)伏安特性

圖1瞬態(tài)電壓抑制器

瞬態(tài)電壓抑制器在承受瞬態(tài)高電壓（例如浪涌電壓、雷電干擾、尖峰電壓）時，能迅速反向擊穿，由高阻態(tài)變成低阻態(tài)，并把干擾脈沖鉗位于規(guī)定值，從而保證電子設(shè)備或元器件不受損壞。鉗位時間定義為從零伏達(dá)到反向擊穿電壓最小值所需要的時間。TVS的鉗位時間極短，僅1ns，所能承受的瞬態(tài)脈沖峰值電流卻高達(dá)幾十至幾百A。其性能要優(yōu)于壓敏電阻器（VSR），且參數(shù)的一致性好。

TVS器件分為單向瞬態(tài)電壓抑制器、雙向瞬態(tài)電壓抑制器兩種類型。國內(nèi)外產(chǎn)品有TVP、SE、5KP、P6KE、BZY、BZT等系列。單片開關(guān)電源中常用的TVS產(chǎn)品型號見表1。需要說明幾點

1）表中的P為額定功率，t是鉗位時間（典型值）；

2）對于P6KE系列，靠近白色環(huán)為正極；

3）TVS也可串聯(lián)或并聯(lián)使用，以提高峰值脈沖功率，但在并聯(lián)時各器件的UB值應(yīng)相等。

雙向瞬態(tài)電壓抑制器的典型產(chǎn)品有P6KE20、P6KE250等。這類器件能同時抑制正向、負(fù)向兩種極性的干擾信號，適用于交流電路中。

表1單片開關(guān)電源常用TVS的型號型號UB/VP/Wt/ns生產(chǎn)廠家
P6KE919151美國Motorola公司
P6KE15015051
P6KE2002005(600＊)1
BZY97?C1201201.51
BZY97?C2002001.51
BZT03?C1201203.251
＊括弧內(nèi)數(shù)字為峰值脈沖功率Pp。

5快恢復(fù)及超快恢復(fù)二極管

快恢復(fù)二極管（FRD）和超快恢復(fù)二極管（SRD）是極有發(fā)展前途的電力電子半導(dǎo)體器件。它們具有開關(guān)特性好、反向恢復(fù)時間短、耐壓高、正向電流大、體積小、安裝簡便等優(yōu)點?？蓮V泛用于脈寬調(diào)制器、單片開關(guān)電源、不間斷電源（UPS）、高頻加熱裝置、交流電機(jī)變頻調(diào)速等領(lǐng)域，作為高頻、大電流的整流二極管、續(xù)流二極管或阻塞二極管。下面介紹其性能特點和選取原則。

5.1快恢復(fù)及超快恢復(fù)二極管的性能特點

1）反向恢復(fù)時間

反向恢復(fù)時間trr的定義是電流通過零點由正向轉(zhuǎn)向反向，再由反向轉(zhuǎn)換到規(guī)定低值的時間間隔。它是衡量高頻整流及續(xù)流器件性能的重要技術(shù)指標(biāo)。反向電流的波形如圖2所示。圖中，IF為正向電流，IRM為最大反向恢復(fù)電流，Irr為反向恢復(fù)電流，通常規(guī)定Irr=0.1IRM。當(dāng)t≤t0時，iF=IF。當(dāng)t>t0時，由于整流管上的正向電壓突然變成反向電壓，因此正向電流迅速減小，在t=t1時刻，iF=0。然后整流管上流過反向電流iR，并且iR逐漸增大；在t=t2時刻達(dá)到最大反向電流IRM。此后反向電流逐漸減小，并且在t=t3時刻達(dá)到規(guī)定值Irr。從t2到t3的反向恢復(fù)過程與電容器放電過程有相似之處。由t1到t3的時間間隔即為反向恢復(fù)時間trr。

2）快恢復(fù)二極管的結(jié)構(gòu)特點

快恢復(fù)二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通二極管不同，它是在P型、N型硅材料中增加了基區(qū)I，構(gòu)成P－I－N硅片。由于基區(qū)很薄，反向恢復(fù)電荷很小，不僅大大減小了trr值，還降低了瞬態(tài)正向電壓，使管子能承受很高的反向工作電壓?？旎謴?fù)二極管的反向恢復(fù)時間一般為幾百ns，正向壓降為0.6～0.7V，正向電流是幾A至幾kA，反向峰值電壓可達(dá)幾百V至幾kV。超快恢復(fù)二極管則是在快恢復(fù)二極管基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，其反向恢復(fù)電荷進(jìn)一步減小，trr值可低至幾十ns。20A以下的快恢復(fù)二極管及超快恢復(fù)二極管大多采用TO?220封裝。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)看，可分成單管、對管兩種。對管內(nèi)部包含兩只快恢復(fù)或超快恢復(fù)二極管，根據(jù)兩只二極管接法的不同，又有共陰對管、共陽對管之分。幾十A的快恢復(fù)、超快恢復(fù)二極管一般采用TO?3P金屬殼封裝，更大容量（幾百A至幾kA）的管子則采用螺栓型或平板型封裝。

5.2選擇方法

在單片開關(guān)電源中，一般采用超快恢復(fù)二極管作為阻塞二極管、輸出整流管或反饋電路中的整流管。

圖2反向恢復(fù)電流的波形

圖3肖特基二極管的伏安特性

1）阻塞二極管

在初級保護(hù)電路中與鉗位二極管（TVS）配套使用的阻塞二極管（VD1），須用超快恢復(fù)二極管。其反向恢復(fù)時間trr≤75ns，多數(shù)管子在20ns～50ns之間。典型產(chǎn)品有美國通用儀器公司（GI）生產(chǎn)的UF4000、UF5400兩大系列，荷蘭飛利浦公司生產(chǎn)的BYV26系列、BYV27系列、BYW29系列，美國摩托羅拉公司生產(chǎn)的MUR100系列。選取原則見表2。

表2選取阻塞二極管的原則單片開關(guān)電源集成電路阻塞二極管的反向耐壓URM/V超快恢復(fù)二極管型號示例
TOP100系列400UF4004BYV26BMUR140
TOP200系列600UF4005BYV26CMUR160
TOPSwitch?Ⅱ系列600UF4005BYV26CMUR160
2）輸出整流管

超快恢復(fù)二極管適合作為開關(guān)電源的高壓、大電流整流管。設(shè)整流管實際承受的最大反向峰值電壓為U(BR)S，所選整流管的最高反向工作電壓為URM，要求URM≥2U(BR)S，其額定整流電流Id≥3IOM，IOM為最大連續(xù)輸出電流。

3）反饋電路中的整流管

反饋電路中的整流管通常選硅高頻開關(guān)整流管1N4148，但有時也可選用UF4003、MUR120、BAV21等型號的超快恢復(fù)二極管。

6肖特基二極管

6.1肖特基二極管的性能特點

肖特基勢壘二極管（SchottkyBarrierDiode，英文縮寫為SBD）簡稱肖特基二極管或肖特基管。它屬于低壓、低功耗、大電流、超高速半導(dǎo)體功率器件，其反向恢復(fù)時間極短（可小到幾ns），正向?qū)▔航祪H為0.4V左右,而整流電流卻可達(dá)幾百A至幾kA。這些優(yōu)良特性是快恢復(fù)二極管及超快恢復(fù)二極管所不具備的。它適合作為開關(guān)電源中的低壓整流管。 肖特基二極管是以金、銀、鉬等貴金屬為陽極，以N型半導(dǎo)體材料為陰極，利用二者接觸面上形成的勢壘具有整流特性而制成的金屬?半導(dǎo)體器件。肖特基二極管僅用一種載流子（電子）輸送電荷，在勢壘外側(cè)無過剩少數(shù)載流子的積累，因此它不存在電荷儲存效應(yīng)，使開關(guān)特性得到明顯改善。其反向恢復(fù)時間可縮短到10ns以內(nèi)。但它的反向耐壓較低，一般不超過100V。利用其正向?qū)▔航档偷奶匦?，能提高開關(guān)電源的效率。肖特基二極管的典型伏安特性如圖3所示。其正向?qū)▔航到橛阪N管與硅管之間，但它的構(gòu)造原理與PN結(jié)二極管有著本質(zhì)區(qū)別。表3列出了肖特基二極管、超快恢復(fù)二極管、快恢復(fù)二極管、高頻硅整流管的性能比較。中、小功率肖特基二極管大多采用TO?220封裝。

表3四種二極管典型產(chǎn)品的性能比較半導(dǎo)體整流二極管典型產(chǎn)品型號平均整流電流Id/A正向?qū)妷悍聪蚧謴?fù)時間trr/ns反向峰值電壓URM/V
典型值UF/V最大值UFM/V
肖特基二極管16CMQ0501600.40.8<1050
超快恢復(fù)二極管MUR30100A300.61.0351000
快恢復(fù)二極管D25?02150.61.0400200
高頻整流管PR300630.61.2400800
6.2常用肖特基二極管的選取原則及產(chǎn)品型號

開關(guān)電源的輸出整流管宜采用肖特基二極管，這有利于提高電源效率。典型產(chǎn)品有Motorola公司生產(chǎn)的MBR系列肖特基二極管。所選肖特基管必須滿足條件

URM≥2U(BR)S（1）

Id≥3IOM（2）

式(1)中次級整流管的最大反向峰值電壓U(BR)S由下式確定U(BR)S=UO＋·UImax（3）

舉例說明，某單片開關(guān)電源的輸出電壓UO=12V，最大連續(xù)輸出電流IOM=5A，最大輸出功率POM=

圖4電阻－溫度特性

60W。已知高頻變壓器的初級匝數(shù)NP=54匝，次級匝數(shù)NS=5匝，直流輸入電壓最大值UImax=375V（對應(yīng)于交流輸入電壓最大值umax=265V）。由式（3）可計算出U(BR)S=46.7V。再根據(jù)式（1）求得URM≥93.4V。將IOM=5A代入式（2）中得到Id≥15A。此時可選擇Motorola公司生產(chǎn)的MBR20100型肖特基二極管，其URM=100V>93.4V，Id=20A>15A，trr<10ns，完全能滿足上述條件。

需要指出，肖特基二極管的最高反向工作電壓一般不超過100V，僅適合作低壓、大電流整流用。當(dāng)UO≥30V時，須用耐壓100V以上的超快恢復(fù)二極管來代替肖特基二極管，此時電源效率略有下降。

7自恢復(fù)保險絲

7.1自恢復(fù)保險絲的性能特點

自恢復(fù)保險絲（ResettableFuse）的英文縮寫為RF。它是20世紀(jì)90年代問世的一種新型過流保護(hù)器件。傳統(tǒng)的保險絲屬于一次性過流保護(hù)器，使用很不方便。美國硅谷的瑞侃（Raychem）公司最近研制成功由聚合物（polymer）摻加導(dǎo)體而制成的自恢復(fù)保險絲，圓滿地解決了上述難題。它具有體積小、種類規(guī)格齊全、開關(guān)特性好、能自行恢復(fù)、反復(fù)使用、不需維修等優(yōu)點。其中，RXE系列為圓片形，RUE系列屬方形，miniSMD為小型化表面安裝器件，SRP系列為片狀。

自恢復(fù)保險絲具有開關(guān)特性，亦稱之為聚合物開關(guān)（polyswitch）。內(nèi)部由高分子晶狀聚合物和導(dǎo)電鏈構(gòu)成。由于聚合物能將導(dǎo)電鏈緊密地束縛在晶狀結(jié)構(gòu)上，因此常態(tài)下的電阻非常低，僅為零點幾Ω左右。當(dāng)工作電流通過自恢復(fù)保險絲時所產(chǎn)生的熱量很小，不會改變聚合物內(nèi)部的晶狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)發(fā)生短路故障時，電流急劇增大，導(dǎo)電鏈產(chǎn)生的熱量使聚合物從晶狀膠體變成非晶狀膠體，原本被束縛的導(dǎo)電鏈便自行分離斷裂，器件的電阻值就迅速增加幾個數(shù)量級，呈開路狀態(tài)，立即將電流切斷，起到保護(hù)作用。而一旦過流故障被排除掉，器件很快又恢復(fù)成低阻態(tài)。正是這種“低阻（通態(tài)）?超高阻（斷態(tài)）”的可持續(xù)轉(zhuǎn)換，才使之能反復(fù)使用而無須更換。

自恢復(fù)保險絲的電阻－溫度特性如圖4所示，共分5個階段：當(dāng)溫度較低時，其發(fā)熱量與散熱量達(dá)到動態(tài)平衡（階段1）；即使電流稍大或環(huán)境溫度略微升高，增加的熱量仍可散發(fā)到空氣中（階段2）；但是，若電流進(jìn)一步增大（階段3），直至發(fā)熱量大于散熱量時（階段4），自恢復(fù)保險絲的溫度就會迅速升高，很小的溫度變化量就會造成電阻值急劇增大，阻擋住電流通過，保護(hù)設(shè)備免受損害；階段5則屬于禁用區(qū)。在過流故障消除后的幾s之內(nèi)，隨著溫度的降低，電阻值又迅速減小。

需要指出，自恢復(fù)保險絲也具有正溫度系數(shù)（PTC）特性，但與具有正溫度系數(shù)特性的熱敏電阻有著本質(zhì)區(qū)別。它屬于高分子聚合物－導(dǎo)體，而PTC元件是由鈦酸鋇與稀土元素?zé)Y(jié)而成的陶瓷材料；此外PTC元件在常溫下的電阻值較大，不適合作保險絲使用。

7.2典型應(yīng)用

自恢復(fù)保險絲可廣泛用于開關(guān)電源、電子儀器、家用電器、計算機(jī)和通信設(shè)備中，起到自動保護(hù)作用。將自恢復(fù)保險絲直接串在單片開關(guān)電源的直流電壓輸出端，即可實現(xiàn)過流保護(hù)功能。需要注意，自恢復(fù)保險絲一般用作低壓過流保護(hù)，不能用于220V交流電壓。

參考文獻(xiàn)

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