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開關電源設計:何時使用BJT而非MOSFET?

鉅大LARGE  |  點擊量:807次  |  2019年12月29日  

MOSFET已經是開關電源領域的絕對主力器件。但在一些實例中,與MOSFET相比,雙極性結式晶體管(BJT)可能仍然會有一定的優勢。特別是在離線電源中,成本和高電壓(大于1kV)是使用BJT而非MOSFET的兩大理由。


在低功耗(3W及以下)反激式電源中,很難在成本上擊敗BJT。大批量購買時,一個13003NPN晶體管價格可低至0.03美元。該器件不僅可處理700VVCE,而且無需過大的基流便可驅動幾百毫安的電流。使用BJT,增益和功率耗散可能會將實際使用限制在低功耗應用中。在這些低功耗標準下,MOSFET與BJT之間的效率差異非常細微。下圖1對比了兩個相似5V/1W設計的效率。第一個設計是230VAC輸入、5.5V/250mA非隔離式反激轉換器使用MOSFET,而另一個設計則是120VAC輸入、5V/200mA反激轉換器使用BJT。這并不是完全公平的對比,因為這兩個電源在設計上采用不同的輸入電壓運行,但它說明了它們的效率有多相似。


圖1:反激轉換器MOSFET設計與BJT設計的效率對比


有些新控制器實際是設計用于驅動BJT的,目的是提供最低成本的解決方案。在大多數情況下,具有外部BJT的控制器比包含集成型MOSFET的控制器便宜。在使用BJT控制器進行設計時,必須注意確保BJT的基極驅動與增益足以在變壓器中提供必要的峰值電流。


在稍微偏高的功率級下,FET與BJT的效率差異就會變得較為明顯,原因在于BJT較差的開關特性與壓降。但是,對于輸入電壓高于100-240VAC典型家用及商用電壓范圍的應用來說,BJT可能仍有優勢。工業應用與功率計就是這種情況的兩個實例,它們可能需要更高的輸入電壓。價格合理的MOSFET只能用于1kV以下。在有些功率計應用中,線路電壓可能會超過480VACrms。在整流器后會達到680Vdc以上的電壓。對于三相位輸入,這一數字可能還會更高。電源開關需要能夠承受這種電壓以及反射輸出電壓與漏電峰值。在這些應用中,MOSFET可能根本就無法作為選項,因此BJT就成了最簡單、最低成本的解決方案。


我們之前討論過,當功率級提高到3W以上時,BJT中的開關損失可能就會成為大問題。使用級聯連接來驅動BJT可以緩解這一問題。下圖2(摘自PMP7040)是級聯連接的工作情況。BJT(Q1)的基極連接至VCC電軌,同時發射極被拉低用以打開開關。在UCC28610內部,一個低電壓MOSFET將DRV引腳拉低,并由一個內部電流感應來安排峰值開關電流。由內部MOSFET實現快速關斷,因為它與外部高電壓BJT串聯。


圖2:PMP7040原理圖展示級聯連接的工作情況


總之,BJT可能會在您的電源中具有重要意義,仍然是有一些原因的。在低于3W的應用中,它們可能會在不怎么影響性能的情況下,具有低成本優勢。在更高電壓下,它們可在MOSFET選擇可能具有局限性的情況下提供更多選擇。


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