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(多图) 为什么在反激式转换器中使用 BJT?

Michael O’Loughlin?? 德州仪器高级系统解决方案工程师?? 2014年10月31日 ?? 收藏2
在 USB 适配器、手机充电器以及系统偏置电源等大量低功耗应用中,低成本准谐振/非连续模式反激式转换器是常见选择(图 1)。这类转换器设计效率高,成本极低。因此为什么不考虑在自己的设计中使用双极性节点晶体管 (BJT) 呢?

这样做有两个非常有说服力的理由:一个是 BJT 的成本远远低于 FET;另一个是 BJT 的电压等级比 FET 高得多。这有助于设计人员降低钳位电路和/或缓冲器电路的电气应力与功耗。使用 BJT 的唯一问题是许多工程师已经习惯于 FET,或是在他们的电源转换器中从来不将 BJT 用作主开关 (QA)。本文将探讨如何估算/计算在非连续/准谐振模式反激式转换器中使用的 NPN BJT 的损耗。

图 1:离线高电压 BJT 适配器反激电路
图 1:离线高电压 BJT 适配器反激电路

在深入探讨计算 BJT 损耗的方法之前,需要对双极性晶体管模型做一个基本了解。一个双极性晶体管的最简单形式是一个电流控制型电流汲/开关。基极 (B) 输入可控制从集电极 (C) 流向发射极 (E) 的电流。图 2 是 NPN BJT 的概念和原理图。该器件掺杂有两个被 P(正电荷原子)掺质区隔开的 N(负电荷原子)半导体区。基极与 P 材料相连,而发射极和集电极则分别连接至晶体管的两个 N 区域。

图 2:BJT 半导体 (a) 和原理图符号 (b)
图 2:BJT 半导体 (a) 和原理图符号 (b)

基极发射极结点的功能与二极管类似。在基极发射极结点施加正电压,会吸引 N 材料(与发射极 (E) 连接)的自由电子。这些自由电子迁移到 P 材料中后,会造成 N 材料的自由电子匮乏。N 材料中的自由电子匮乏会从偏置电源(与基极和发射极相连)的负端吸引电子,形成完整电路允许电流通过。B 节点和 E 结点的负偏置会导致多余电子从 P 材料中吸引出来。这会断开电路,阻止电流流动,就像对二极管进行反向偏置一样。

在基极发射极结点处于正向偏置,而集电极至发射极路径为偏置时,这可打开洪流栅极,允许电流流动。连接至集电极的正偏置会吸引自由电子流向集电极端,在 N 材料中形成电子匮乏。这可吸引来自基极的电子,将其耗尽在 N 材料中。现在电流就可流经集电极和发射极的耗尽层,形成完整电路。集电极电流 (IC) 的数量可能会比基极电流 (IB) 多好几个数量级。IC 与 IB 之间的比值一般称为晶体管的 DC 电流增益。在产品说明书中也可表达为 Beta(β) 或 hFE。注意,在晶体管产品说明书中,该比值在特定条件下给出,可能会有明显的变化。

(等式 1)

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反激式转换器? BJT? FET? 开关电源?

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