第八講

單片開關電源關鍵元器件的選擇（續）

關鍵詞：瞬態電壓抑制器；快恢復二極管；超快恢復二極管；自恢復保險絲

4瞬態電壓抑制器

瞬態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器件。由于它的響應速度極快、鉗位電壓穩定、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器，還可用來保護單片開關電源集成電路、MOS功率器件以及其它對電壓敏感的半導體器件。瞬態電壓抑制器是一種硅PN結器件，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50A、80A、200A。外形尺寸有?2.0×4.1、?2.7×5.2、?5.0×9.4（mm）等規格。其鉗位電壓從0.7V到3kV。TVS的符號與穩壓管相同，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為導通前加在器件上的最大額定電壓。有關系式UR=0.8UB。IR是最大峰值漏電流。UC是在1ms時間內器件可承受的最大峰值電壓。有關系式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）以及環境溫度（TA）有關。當D↓時PP↑，反之亦然。而當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瞬態電壓抑制器

瞬態電壓抑制器在承受瞬態高電壓（例如浪涌電壓、雷電干擾、尖峰電壓）時，能迅速反向擊穿，由高阻態變成低阻態，并把干擾脈沖鉗位于規定值，從而保證電子設備或元器件不受損壞。鉗位時間定義為從零伏達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，所能承受的瞬態脈沖峰值電流卻高達幾十至幾百A。其性能要優于壓敏電阻器（VSR），且參數的一致性好。

TVS器件分為單向瞬態電壓抑制器、雙向瞬態電壓抑制器兩種類型。國內外產品有TVP、SE、5KP、P6KE、BZY、BZT等系列。單片開關電源中常用的TVS產品型號見表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，靠近白色環為正極；

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

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

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

5快恢復及超快恢復二極管

快恢復二極管（FRD）和超快恢復二極管（SRD）是極有發展前途的電力電子半導體器件。它們具有開關特性好、反向恢復時間短、耐壓高、正向電流大、體積小、安裝簡便等優點?？蓮V泛用于脈寬調制器、單片開關電源、不間斷電源（UPS）、高頻加熱裝置、交流電機變頻調速等領域，作為高頻、大電流的整流二極管、續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快恢復及超快恢復二極管的性能特點

1）反向恢復時間

反向恢復時間trr的定義是電流通過零點由正向轉向反向，再由反向轉換到規定低值的時間間隔。它是衡量高頻整流及續流器件性能的重要技術指標。反向電流的波形如圖2所示。圖中，IF為正向電流，IRM為最大反向恢復電流，Irr為反向恢復電流，通常規定Irr=0.1IRM。當t≤t0時，iF=IF。當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時刻達到規定值Irr。從t2到t3的反向恢復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時間trr。

2）快恢復二極管的結構特點

快恢復二極管的內部結構與普通二極管不同，它是在P型、N型硅材料中增加了基區I，構成P－I－N硅片。由于基區很薄，反向恢復電荷很小，不僅大大減小了trr值，還降低了瞬態正向電壓，使管子能承受很高的反向工作電壓?？旎謴投O管的反向恢復時間一般為幾百ns，正向壓降為0.6～0.7V，正向電流是幾A至幾kA，反向峰值電壓可達幾百V至幾kV。超快恢復二極管則是在快恢復二極管基礎上發展而成的，其反向恢復電荷進一步減小，trr值可低至幾十ns。20A以下的快恢復二極管及超快恢復二極管大多采用TO?220封裝。從內部結構看，可分成單管、對管兩種。對管內部包含兩只快恢復或超快恢復二極管，根據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、超快恢復二極管一般采用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

在單片開關電源中，一般采用超快恢復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），須用超快恢復二極管。其反向恢復時間trr≤75ns，多數管子在20ns～50ns之間。典型產品有美國通用儀器公司（GI）生產的UF4000、UF5400兩大系列，荷蘭飛利浦公司生產的BYV26系列、BYV27系列、BYW29系列，美國摩托羅拉公司生產的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電源集成電路阻塞二極管的反向耐壓URM/V超快恢復二極管型號示例
TOP100系列400UF4004BYV26BMUR140
TOP200系列600UF4005BYV26CMUR160
TOPSwitch?Ⅱ系列600UF4005BYV26CMUR160
2）輸出整流管

超快恢復二極管適合作為開關電源的高壓、大電流整流管。設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整流管1N4148，但有時也可選用UF4003、MUR120、BAV21等型號的超快恢復二極管。

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、超高速半導體功率器件，其反向恢復時間極短（可小到幾ns），正向導通壓降僅為0.4V左右,而整流電流卻可達幾百A至幾kA。這些優良特性是快恢復二極管及超快恢復二極管所不具備的。它適合作為開關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，在勢壘外側無過剩少數載流子的積累，因此它不存在電荷儲存效應，使開關特性得到明顯改善。其反向恢復時間可縮短到10ns以內。但它的反向耐壓較低，一般不超過100V。利用其正向導通壓降低的特性，能提高開關電源的效率。肖特基二極管的典型伏安特性如圖3所示。其正向導通壓降介于鍺管與硅管之間，但它的構造原理與PN結二極管有著本質區別。表3列出了肖特基二極管、超快恢復二極管、快恢復二極管、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品的性能比較半導體整流二極管典型產品型號平均整流電流Id/A正向導通電壓反向恢復時間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
超快恢復二極管MUR30100A300.61.0351000
快恢復二極管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品型號

開關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。典型產品有Motorola公司生產的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，某單片開關電源的輸出電壓UO=12V，最大連續輸出電流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NP=54匝，次級匝數NS=5匝，直流輸入電壓最大值UImax=375V（對應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UO≥30V時，須用耐壓100V以上的超快恢復二極管來代替肖特基二極管，此時電源效率略有下降。

7自恢復保險絲

7.1自恢復保險絲的性能特點

自恢復保險絲（ResettableFuse）的英文縮寫為RF。它是20世紀90年代問世的一種新型過流保護器件。傳統的保險絲屬于一次性過流保護器，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）摻加導體而制成的自恢復保險絲，圓滿地解決了上述難題。它具有體積小、種類規格齊全、開關特性好、能自行恢復、反復使用、不需維修等優點。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。

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

自恢復保險絲的電阻－溫度特性如圖4所示，共分5個階段：當溫度較低時，其發熱量與散熱量達到動態平衡（階段1）；即使電流稍大或環境溫度略微升高，增加的熱量仍可散發到空氣中（階段2）；但是，若電流進一步增大（階段3），直至發熱量大于散熱量時（階段4），自恢復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，保護設備免受損害；階段5則屬于禁用區。在過流故障消除后的幾s之內，隨著溫度的降低，電阻值又迅速減小。

需要指出，自恢復保險絲也具有正溫度系數（PTC）特性，但與具有正溫度系數特性的熱敏電阻有著本質區別。它屬于高分子聚合物－導體，而PTC元件是由鈦酸鋇與稀土元素燒結而成的陶瓷材料；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典型應用

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

參考文獻

[1]沙占友．模擬與數字萬用表檢測及應用技術[M].北京:電子工業出版社，2000.

[2]沙占友，睢丙東.單片開關電源保護電路的設計[J].電工技術，2000.(12)