張 磊

ZHANG Lei

（中國空空導(dǎo)彈研究院，洛陽 471099）

0 引言

中小功率的DC-DC變換器，在應(yīng)用到單相場合時，包括無PFC以及有PFC的場合，輸入電壓范圍為300V～400V；在應(yīng)用到三相場合時，輸入直流電壓將近550V，加入功率因數(shù)校正后往往就超過600V。在此應(yīng)用場合下，對于單管隔離電路（正激、反激）開關(guān)管的電壓應(yīng)力為兩倍的輸入電壓，普通開關(guān)管的耐壓往往就力不從心，需要借助使用雙管電路拓撲。這里介紹一種可用的高耐壓的射極開關(guān)雙極型晶體管ESBT (Monolithic Emitter-Switching Bipolar Transistor) ，對于三相整流應(yīng)用場合甚至更高輸入電壓的場合也可以只用一個開關(guān)管。文章在現(xiàn)有的該管驅(qū)動電路的基礎(chǔ)上進行改進，結(jié)合軟開關(guān)電路提出一種改進的驅(qū)動電路，制成一臺額定功率80W、最大輸入電壓800V的反激電路樣機，并和現(xiàn)有的驅(qū)動電路進行比較。

1 ESBT的原理

在設(shè)計電路選擇功率開關(guān)器件時，擊穿電壓、開關(guān)速度和開通正向壓降是主要需要考慮的三個因素。功率MOSFET器件驅(qū)動功率小、開關(guān)速度高，因此在中小功率、中低電壓場合被廣泛應(yīng)用，但MOSFET很難應(yīng)用到比較高的電壓場合，一是因為MOSFET本身的能做到的最大耐壓不高，同時MOSFET隨著擊穿電壓的增大，通態(tài)電阻急劇增大。功率BJT器件的擊穿電壓可以遠高于MOSFET，同時能流過較大密度電流，但是其開關(guān)速度以及相對較大的驅(qū)動功率限制了其在中小功率DC-DC中的應(yīng)用。ESBT管正是結(jié)合了低壓MOSFET開關(guān)速度快和BJT耐壓高的特點，采用近似于一個BJT和一個MOSFET級聯(lián)的結(jié)構(gòu)，在雙極晶體管的射極加入一個低壓MOSFET，在關(guān)斷時強制阻斷BJT上的電流以使管子快速關(guān)斷，提高了開關(guān)頻率，在阻斷狀態(tài)時，耐壓主要降落在BJT上。等效圖如圖1中虛線框內(nèi)所示。

圖1 ESBT管等效電路圖

由等效圖不難知道，驅(qū)動ESBT管需要兩路驅(qū)動，一路為PWM脈沖電壓信號驅(qū)動門極G，另一路為驅(qū)動基極的電流信號。最基本的驅(qū)動拓撲如圖1所示，當門極電壓上升為正的瞬間，電容CG通過回路放電，基極流過很大的電流加速管子開通。穩(wěn)態(tài)時，基極上的直流電源開始給基極提供一個電流，大小約為：

2 改進的驅(qū)動電路原理

由于反激電路的變壓器需要增加氣隙，因此漏感都比較大，為了減小開關(guān)管關(guān)斷時在開關(guān)管上產(chǎn)生的電壓尖峰，通常都會有RCD回路來吸收漏感上的能量，但代價是在R上消耗很大的能量，電阻R可能是電路里最熱的點，影響電路穩(wěn)定。因此，文章嘗試引入緩沖電路，將漏感的能量轉(zhuǎn)移到基極電容CG上，用于驅(qū)動開關(guān)管。同時還能獲得比使用RCD吸收電路更好的開通關(guān)斷特性，實現(xiàn)零電流關(guān)斷。圖2示出改進的驅(qū)動電路拓撲。

圖2 ESBT管改進的驅(qū)動電路拓撲

該電路的一個開關(guān)周期可以分成n個工作階段，忽略開關(guān)管關(guān)斷時電流對開關(guān)管CS間的寄生電容的充電時間，每一個工作階段的工作原理如下：

1）階段一（t0-t1）t0時刻開關(guān)管關(guān)斷，漏感Lk的電流Ik通過D1向電容Cr充電，同時，電容電壓被變壓器原邊電壓（即變壓器副邊輸出電壓UO乘以變比n）箝位，假設(shè)存儲在漏感上的能量都轉(zhuǎn)移到電容上，由以下等式關(guān)系，可以據(jù)此取值電容Cr。

圖3 ESBT管驅(qū)動電路階段一工作狀態(tài)

2）階段二（t1-t2）t1時刻，開關(guān)管門極信號變正，在基極電容CG和電源V的作用下開關(guān)管迅速開通，此時電容Cr上電壓左負右正，D2開通，電容電壓加到電感Lr上，能量開始由電容Cr向Lr轉(zhuǎn)移。但由于此時電感上電壓為上負下正，且CG上電壓為上正下負，二極管D3仍將維持關(guān)斷狀態(tài)。該過程為一個二階過程，開關(guān)管通態(tài)電阻為Ron，則有以下方程：

圖4 ESBT管驅(qū)動電路階段二工作狀態(tài)

3）階段三（t2-t3）當電容Cr上的電壓值達到Ut時，二極管D3開通：

電感電流開始同時向電容Cr和CG充電，忽略各個二極管的管壓降和開關(guān)管通態(tài)壓降，兩個電容等效看做是并聯(lián)，該過程也可以等效為一個二階過程。電容Cr上電壓為左正右負，CG上電壓為上正下負，并且兩電容電壓通過兩個二極管D2、D3箝位。由于一般電容CG的值遠大于Cr的值，因此意味著電感上能量的絕大部分向電容CG上轉(zhuǎn)移。當電感上電流降到零，二極管D2、D3即反向截止，階段三結(jié)束。

圖5 ESBT管驅(qū)動電路階段三工作狀態(tài)

4）階段四（t3-t4）電容Cr上的電壓維持左正右負，電容CG上的電壓大于電源V的電壓，二極管D4截止，由電容CG提供基極的驅(qū)動電流，直到CG上電壓降落到和電源V相等，階段四結(jié)束。

圖6 ESBT管驅(qū)動電路階段四工作狀態(tài)

5）階段五（t4-t0）電容Cr上的電壓繼續(xù)維持左正右負，電容CG上的電壓被電源V箝位，管子基極驅(qū)動電流由電源V提供，電流值如式(1)所示，進入穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通狀態(tài)，直到下一個關(guān)斷信號到來，一個開關(guān)周期結(jié)束。

圖7 ESBT管驅(qū)動電路階段五工作狀態(tài)

各個階段的等效電路如圖3所示，圖8是各個工作階段主要波形，圖中為了突出各個工作階段，對某些階段時間進行了放大，不代表真實時間長度。

圖8 ESBT管驅(qū)動電路工作階段主要波形

3 結(jié)論

根據(jù)上述原理，制成一臺150V～800V輸入、24V輸出，功率為80W的反激電路樣機，進一步驗證了上述實現(xiàn)方法的正確性。

樣機使用型號為STC04IE170HV的ESBT管，額定最大耐壓1700V，采用L6565芯片控制。變壓器比n=10，電感Lr=5uH，電容Cr=6.8nF。圖9是用示波器測量出的波形。

圖9 ESBT管驅(qū)動電路工作實際波形

這個新的驅(qū)動電路，使用了軟開關(guān)技術(shù)，顯著降低了ESBT管的開關(guān)損耗。電路的功率可以比普通mosfet做得更大，而且開關(guān)頻率可以比IGBT做的更高。在中低功率的應(yīng)用場合，尤其是flyback電路會有一個很好的應(yīng)用前景。

[1] Ju-Sung Park, Arnost Nugroschel, Victor de la Torre, Peter J. Zdebel.Measurement of Collector and Emitter Resistances in Bipolar Transistors[J].IEEE Transaction on Electron Devices, 1991,38(2):365-372.

[2] N. Mohan, T.M. Undeland, W. P. Robbins. Power Electronics: Converters, Applications, and Design[M].Second edition, John Wiley & Sons,New York,1995.

[3] S. Buonomo, S. Musumeci, R. Pagano, A. Raciti, C. Ronsisvalle, R.Scollo.A New Monolithic Emitter-Switching Bipolar Transistor (ESBT)in High-Voltage ConverterApplications[A].2003 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, Salt Lake City, Utah, USA[C].2003,10:12-16.

[4] V. Enea, D. Kroell, M. Messina, C. Ronsisvalle. The ESBT? (Emitter-Switched Bipolar Transistor): a new monolithic power actuator technology devoted to high voltage and high frequency applications[A].Solid State Device Research Conference[C].2007,9:11-13.