对单片开关电源或开关稳压器而言，功率开关管集成在芯片内部。但使用脉宽调制 (PWM)器构成开关电源时，就必须选择功率开关管。开关电源中使用的功率开关管主 要有两种类型：一种为双极型功率开关管，它属于双极型晶体管(BJT)，因其输出功 率大，故最早称作巨型晶体管(GTR)，现泛指大功率晶体管；第二种为金属—氧化物半 导体场效应晶体管(MOSFET)。此外还有绝缘栅—双极型晶体管(IGBT)，主要应用于 交流变频器、逆变器等电气设备及电磁炉中。

    选择开关电源的功率开关管时，还需注意其导通压降(或通态电阻)和开关速度。 功率开关管的导通压降和开关速度与额定电压有关，额定电压越高，导通压降越大，开 关速度越慢。因此，在满足额定电压为实际工作电压1.2~1.5倍的条件下，应尽量选 择低压功率开关管。

一.双极型功率开关管的选择方法

    双极型功率开关管(BJT)是具有开关特性和功率输出能力的双极、结型晶体管。 因有两种载流子(电子与空穴)流过晶体管，故称之为双极型，这与仅有一种载流子的 场效应管不同。双极型功率管属于电流驱动型功率器件，常用的耐压值在1kV以下， 工作电流从几安培到几百安培。其优点是价格便宜；缺点是电流放大系数低，驱动电流 较大，开关频率低(几十千赫以下)，适合中、小功率的开关电源。

    使用双极型功率开关管时需要注意以下事项：

     (1)双极型功率开关管有一个以集电极最大电流、集电极最大允许功耗、二次击穿 电流和集电极—发射极击穿电压为边界的安全工作区。无论在瞬态还是稳态下，晶体管 的工作电流和工作电压都不得超出安全工作区范围。此外，安全工作区的边界值还与环 境温度、脉冲宽度等参数有关。当环境温度升高时，安全工作区也应降额使用。

    (2)双极型功率开关管的电流放大系数β值较低，其最小值一般为5~10倍。

    (3)环境温度每升高10℃，集电极漏电流就增加一倍。这会引起关断损耗。

    (4)为降低功率开关管的导通损耗，它在导通时一般处于过饱和状态，这势必增加 了存储时间，降低开关速度。为减少存储时间，需要在功率开关管关断时给发射结加反 向电压，但反向电压过大，发射结将被反向击穿(硅功率开关管的发射结反向击穿电压 为5~6V)。为避免击穿电流过大，可用电阻来限制反向电流不致过大。

    (5)为了快速关断功率开关管，可采用如图3—5—1 所示的抗饱和电路。VD_l、VD₂为两只硅二极管，其导 通压降分别为U_Fl、U_F2。该电路的集电极—发射极饱和电 压U_CE＝U_Fl+U_BE-U_F2。令U_Fl=U_BE=U_F2=0.7V，则 U_CE=0.7V+0.7V-0.7V=0.7V，使过大的驱动电流通 过集电极，可降低功率开关管的饱和深度。为进一步降 低饱和深度，还可在VD_l上再串联一只二极管VD₃，使 饱和压降约为1.4V。此时功率开关管只能进入准饱和状态，存储时间很短，提高了关 断速度，但导通损耗会加大。

图3-5-1  抗饱和电路

二.MOSFET功率开关管的选择方法

1．MOSFET功率开关管的性能特点

    MOSFET属于绝缘栅型场效应管。其主要特点是在金属栅极与沟道之间有一层二 氧化硅绝缘层，因此具有很高的输入电阻(最高可达10¹⁵Ω)。它分N沟道管和P沟道 管两种类型，符号如图3—5—2所示。通常将衬底(基板)与源极S接在一起。根据导 电方式的不同，MOSFET又分增强型、耗尽型两种。所谓增强型是指当U_GS=0时管子 呈截止状态，加上正确的U_GSs(对N沟道管要求U_GS>0；对F沟道管则要求U_GS<0) 时，多数载流子就被吸引到栅极，从而“增强”了该区域的载流子，形成导电沟道。耗 尽型则是指当U_GS=0时即形成沟道，加上正确的U_GS(对N沟道管要求U_GS<0)时， 能使多数载流子流出沟道，因而“耗尽”了载流子，使管子转向截止。图(c)中的VD 为保护二极管。

图3-5-2  MOSFET的符号

    图3—5—3示出增强型MOSFET的两种结构。以N沟道为例，它是在P型硅衬底 上制成高掺杂浓度的源扩散区N⁺和漏扩散区N⁺，再分别引出源极S和漏极D。源极与 衬底在内部连通，二者保持等电位。图3—5—2(a)符号中的箭头方向是从外向里，表 示从P型材料(衬底)指向N型沟道。当漏极接电源正极，源极接电源负极并使U_GS=0 时，沟道电流(即漏极电流)I_D=0。随着U_GS逐渐升高，受栅极正电压的吸引，在两 个N⁺扩散区之间就感应出带负电的少数载流子，形成从漏极到源极的N型沟道，图中 的虚线就代表沟道。当U_GS大于管子的开启电压U_TN(一般约为+2V)时，N沟道管开 始导通，就形成漏极电流I_D。

图3-5-3  增强型MOSFET的结构

    MOSFET功率开关管与双极型功率开关管相比较，主要有以下优点：开通时间短 (几至几十纳秒)，适用于开关频率为100kHz~1MHz的PWM控制器；它采用电压驱 动，不需要静态驱动电流；可靠性高，无二次击穿现象；通态电阻小，损耗低。MOSFET 功率开关管一般采用N沟道管，因为在同样情况下N沟道管的通态电阻要比P沟 道管小，且开关速度比P沟道管快。由于MOSFET的源极和漏极结构是对称的，因此 使用时可以互换。对N沟道管而言，只要在栅极和源极(漏极)之间加上正电压就能 双向导通。因此MOSFET可用作同步整流。MOSFET功率开关管的工作电流从几安培 到几百安培，输出功率从几十瓦到几千瓦，开关频率可达几百千赫至1MHz以上。目 前在中、小功率开关电源中大都采用MOSFET作为功率开关管。此外还有PMOS、 NMOS、VMOS场效应管等。

    MOSFET功率开关管的直流参数主要有漏极电流I_D、漏—源击穿电压U_(BR)DS、漏—源 通态电阻及R_DS(ON)、漏极功耗P_D。交流参数有开启时间t_d(ON)、关断时间t_d(OFF)，输入电容 C_i、输出电容C_o等。开关电源中MOSFET的损耗主要有两种：导通损耗、开关损耗。 导通损耗是在MOSFET完全导通时漏—源通态电阻及R_DS(ON)上的损耗。开关损耗是MOSFET 在交替导通与截止时的功率损耗。此外还有栅极损耗，即由于MOSFET栅极电容充、 放电而产生的损耗，但它出现在栅极电阻或驱动电路上。

    由美国国际整流器公司(IR)生产的5种MOSFET功率开关管的主要技术指标见 表3—5—1。这些管子在漏极与源极之间增加了一只保护二极管。

表3—5—1  5种MOSFET功率开关管的主要技术指标

2．MOSFET功率开关管的选择方法

    选择MOSFET功率开关管时应重点考虑以下7个关键参数：

    (1)漏—源击穿电压U_(BR)DS值必须大于漏—源极可能承受的最大电压U_DS(max), 可留出10％~20％的余量。但U_(BR)DS值不宜选得太高，以免增加器件的成本。

    (2)最大漏极电流I_D(max)。通常情况下I_D(max)应留有较大余量，这有利于散热，提 高转换效率。

    (3)漏—源极通态电阻只R_DS(ON)。采用R_DS(ON)值很小的功率MOSFET，能降低传输 损耗。

    (4)总栅极电荷Q_G。Q_G=Q_GS+Q_GD+Q_OD，其中的Q_GS为栅—源极电荷，Q_GD为栅—漏 极电荷，亦称密勒(Miller)电容上的电荷，Q_OD为密勒电容充满后的过充电荷。因栅 极电荷会造成驱动电路上的损耗，故Q_G值越小越好。

    (5)品质因数FOM(Figure of Merit)。FOM＝R_DS(ON)xQ_G，单位是&Omega·nC(欧姆· 纳库仑)。它也是评价功率MOSFET的一个重要参数，FOM值越低，器件的性能越好。

    (6)输出电容C_OSS(即漏—源极总分布电容)。C_OSS过大，会增加开关损耗，这是因 为储存在C_OSS上的电荷在每个开关周期开始时被泄放掉而产生损耗。

    (7)开关时间包括导通延迟时间t_d(ON)，和关断延迟时间t_d(OFF)。开关时间应极短，以 减小开关损耗。

    需要注意的是不能片面追求某一项指标。例如，有的MOSFET功率开关管尽管漏— 源极通态电阻及R_DS(ON)非常小，但其输出电容C_OSS比较大，这会导致开关损耗增大，因此 应综合比较各项指标后进行选择。

    以美国英飞凌(infineon)科技公司生产的IPP60R099CPA型N沟道功率MOSFET 为例，其主要参数如下：U_(BR)DS＝600V，I_D(max)＝19A，R_DS(ON)＝0.090(典型值)，Q_G＝60nC， FOM＝R_DS(ON)xQ_G＝0.090×60nC＝5.4Ω·nC。C_OSS＝130pF，t_d(ON)(nS)＝10ns， t_d(OFF)＝60ns。该器件适用于AC/DC式开关电源的功率开关管。

三.IGBT功率开关管的选择方法

1．IGBT功率开关管的选择方法

    为解决功率MOSFET在高压、大电流工作时通态电阻大、器件发热严重、输出效 率下降等问题，近年来IGBT功率开关管也获得迅速发展。IGBT(insulate GateBipolar Transistor)是绝缘栅—双极型晶体管的简称。IGBT功率开关管是由MOS场效应管 (MOSFET)与巨型晶体管(GTR)集成的新型高速、高压大功率电力电子器件，它属 于电压控制型大功率器件。IGBT以MOSFET为输入级(驱动电路)，GTR为输出级 (主回路)。但从本质上讲，IGBT仍属于场效应管，只是在漏极和漏区之间多了一个P 型层。它将MOSFET和GTR的优点集于一身，具有输入阻抗高、驱动电路简单、耐 压高(一般在500V以上)、工作电流大(可达几百安培，峰值电流可达几千安培，是 功率MOSFET的几十倍)、漏—源通态电阻小、开关速度快(可达微秒数量级)、热稳定 性好、开关损耗低(仅为GTR的30％)等优良特性。IGBT的最高工作频率为20~ 30kHz，主要应用于20kHz以下的大功率开关电源、交流变频器、逆变器等电气设备。

    IGBT功率开关管的结构如图3—5—4(a)所示，它类似于MOSFET，所不同的是 IGBT是在N沟道功率MOSFET的N⁺基板(漏极)上增加了一个P⁺基板(即IGBT 的集电极)，形成了PN结j₁，并由此引出漏极，栅极和源极则与MOSFET相似。IGBT 采用PNPN四层结构，其输出级亦可视为由PNP—NPN晶体管构成的晶闸管。但因 NPN晶体管和发射极在内部短路，故NPN晶体管不起作用。因此，也可将IGBT看作 是以N沟道MOSFET为输入级，PNP晶体管为输出级的单向达林顿管。由图可见， IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR，其简化等效电路如图(b)所示。图 中，R_dr为厚基区GTR的扩散电阻。为兼顾双极型晶体管引脚的习惯称呼，国际电工委 员会(IEC)规定IGBT的栅极为G，源极引出端为发射极E，漏极引出端为集电极C。

图3-5-4  IGBT功率开关管的结构及等效电路

    N沟道和P沟道IGBT的电路符号各有两种，分别如图3—5—5(a)、(b)所示。 IGBT的导通与关断是由栅极电压来控制的。当栅极加正电压时MOSFET内部就形成 了沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通，此时，从P⁺区注入到 N^-区进行电导调制，减少N^-区的电阻及R_dr值，使耐高压的IGBT也具有低的通态电 阻。当栅极上加负电压时MOSFET内部的沟道就消失，PNP晶体管的基极电流被切 断，使IGBT关断。

图3-5-5  IGBT的电路符号

    IGBT功率开关管的主要技术参数包括反向击穿电压U_(BR)CEO，最大集电极连续电流 I_CM，最大输出功率P_OM，开启时间t_d(ON)，关断时间t_d(OFF)，栅极门限电压U_GE，集电极— 发射极饱和电压U_CE，内部是否有保护二极管(亦称阻尼二极管)。国外生产IGBT功率 开关管的主要厂家有美国飞兆公司、德国西门子公司、英飞凌公司、日本东芝公司等。 IGBT功率开关管典型产品的主要参数见表3—5—2。

表3—5—2  IGBT功率开关管典型产品的主要参数

    对于内部没有保护二极管的IGBT功率开关管，应在C—E极间接一只快恢复式阻尼 二极管，阻尼二极管的正极接C极，负极接E极。例如可采用Philips公司生产的 BY459型快速、高压阻尼二极管，其反向耐压为1500V，正向导通电压为0.95V，正向 峰值重复电流可达100A，反向恢复时间为250ns。

2．IGBT功率开关管在开关电源中的应用

    由IGBT和交、直流高压输入式可调线性稳压器HIP5600构成大电流自激降压式开 关电源的电路如图3—5—6所示。该电源采用自激振荡的原理产生大约为18kHz的开关 频率。交流输入电压为220V，输出为+24V、250mA，可驱动直流风扇电机。桥式整 流滤波器由VD₁—VD₄、C₁构成。开关功率管采用P沟道IGBT，它是以MOS场效应 管(MOSFET)为输入级，再以功率晶体管为输出级的集成化大功率器件。由VT₂和 R₅组成启动保护电路，可限制IGBT的初始浪涌电流。C₅、VD₆、VD₇和L₁组成输出 缓冲电路。输出电压由R₁、R₂和R₃设定。

图3-5-6  由IGBT和HIP5600构成大电流自激降压式开关电源的电路

    使用IGBT时需注意以下事项：

    (1)IGBT模块的U_GE一般为±20V，若超过此值就会导致模块损坏。

    (2)当栅极处于开路状态时，若在主回路加上电压就容易损坏IGBT。为防止出现 这种情况，应在栅极—发射极之间分别并联一只10KΩ左右的电阻和一只小电容。

    (3)由于IGBT模块以MOSFET作为输入级，因此必须对静电采取防护措施。使 用IGBT模块时，禁止用手触模栅极。若必须触模模块的端子时，也应先将人体静电泄 放掉。模块的底板应接地良好。焊接时，电烙铁或电焊机应处于良好的接地状态下。存 放IGBT模块的容器也不得带静电。

    (4)为满足输出大电流的需要，允许将多个IGBT模块并联使用。并联时流过每个 器件的电流应保持平衡。

    (5)为提高IGBT的开关速度，可将MOSFET与IGBT并联成复合管，IGBT— MOSFET复合管如图3—5—7(a)所示。MOSFET和IGBT的驱动原理如下：其导通过 程为首先由PWM信号驱动MOSFET导通，然后IGBT导通，并且IGBT是在电压过零 时开始导通。关断过程则为先关断IGBT(在零电压时关断)，经过一段延迟时间再关 断MOSFET。在导通期间，由于MOSFET的导通压降比IGBT高，因此大部分电流通 过IGBT，由IGBT承担导通损耗。开关损耗主要由MOSFET承担。IGBT—MOSFET复 合管可用于半桥或全桥拓扑结构。

图3-5-7  两种复合管的电路结构

    同样，还可将双极型晶体管(BJT)与MOSFET串联成复合管，利用MOSFET的 开关特性来提高开关速度。BJT—MOSFET复合管的电路结构如图3—5—7(b)所示。它 在导通时首先驱动功率MOSFET，此时BJT处于共基极接法，从发射极输入电流。因 MOSFET导通、漏极电压降低，使BJT的发射结为正向偏置，产生基极电流和集电极 电流，再通过正反馈电路使BJT饱和导通。关断时首先关断MOSFET，因BJT发射结 处于反向偏置而将BJT迅速关断。由于共基极接法的频率特性是共射极接法的β倍，因 此可大大提高关断速度。低压MOSFET的通态电阻仅为mΩ数量级，导通损耗很小。 上述电路可用于双端正激式大功率开关电源中，开关频率可达50kHz。

    给IGBT功率开关管配上驱动器，即可构成IGBT模块。IGBT驱动器一般采用高速 光耦合器隔离，具有比较完善的保护功能(包括过电流保护、短路保护和过电压保护)。