61我 们 由 以 下 公 式 可 计 算 出 流 入 每 一 缓 冲 电 晶 体 的 电 流 值 ， 此 时 Q1 电 晶 体 ON， Q2 电 晶 体 OFF，此 充 电 电 流 Icharge 为rGSGSechtVCI arg （ 4-22）且 rssissGS CCC （ 4-23）在 此 CGS： 闸 极 至 源 极 电 容 值 ， pFCiss： 输 入 电 容 值 ， pFCrss： 逆 向 转 移 电 容 值 ， pFVGS： 闸 极 至 源 极 电 压 ， Vtr： 输 入 脉 波 上 升 时 间 ， ns如 果 我 们 假 设 在 同 时 闸 极 至 源 极 的 电 容 器 充 电 ， 且 tr tf， 则 放 电 电 流 可 由 下 面 公 式 求 得 ：rDSrssdistVCI （ 4-24）在 此 ， VDS是 漏 极 至 源 极 电 压 （ 以 伏 特 计 ） 。为 了 计 算 每 个 缓 冲 电 晶 体 中 的 功 率 消 耗 ， 可 由 下 列 公 式 求 得 ：62ftIVP rCCE （ 4-25）在 此 VCE： 缓 冲 电 晶 体 的 饱 和 电 压 ， VIC： 缓 冲 电 晶 体 的 集 极 电 流 ， Af： 电 晶 体 的 转 换 频 率 ， kHz另 外 驱 动 MOSFET 的 方 法 ， 可 使 用 特 别 的 积 体 缓 冲 器 来 取 代 分 离 式 的 电 晶 体 ， 如 图 4-24 所 示 ， 电路 中 的 DS0026 就 是 高 电 流 驱 动 器 。63由 CMOS 来 驱 动 MOSFET 由 于 MOSFET 具 有 较 高 的 输 入 阻 抗 ， 可 由 CMOS 闸 来 直 接 驱 动 ，如 图 4-25（ a） 所 示 ， 由 此 种 结 构 产 生 的 上 升 时 间 与 下 降 时 间 约 为 60ns， 为 了 增 加 更 快 速 的 转 换 时 间 ，我 们 亦 可 使 用 射 极 随 耦 器 的 缓 冲 器 ， 如 图 4-23 所 示 ， 或 是 我 们 使 用 多 个 CMOS 闸 并 联 在 一 起 ， 如 图4-25（ b） 所 示 ， 此 增 加 了 电 流 可 用 率 至 MOSFET 的 输 入 电 容 。由 线 性 电 路 来 驱 动 MOSFET 我 们 亦 可 使 用 运 算 放 大 器 （ op-amp） 的 输 出 来 直 接 驱 动MOSFET， 因 为 op-amp 能 提 高 较 高 的 输 出 电 流 ， 然 而 功 率 型 的 op-amp 会 受 限 于 其 缓 慢 转 动 率 (slowslew rate)， 此 限 制 了 其 操 作 频 带 宽 度 至 25kHz 以 下 。为 了 改 进 运 算 放 大 器 （ op-amp） 的 频 带 宽 度 与 转 功 率 ， 使 其 能 够 有 效 地 去 驱 动 MOSFET， 因 此 ，我 们 可 使 用 射 极 随 耦 器 的 缓 冲 器 ， 其 典 型 的 运 算 放 大 器 驱 动 电 路 ， 如 图 4-26 所 示 。其 它 驱 动 上 的 考 虑 在 先 前 所 讨 论 的 驱 动 电 路 里 ， MOSFET 都 是 用 在 共 源 （ common-source）结 构 中 ， 然 而 ， 有 时 我 们 亦 可 使 用 共 漏 极 (common-drain)结 构 ， 例 如 ， 在 桥 式 电 路 中 即 可 使 用 。 在 此使 用 共 漏 极 的 情 况 下 ， 必 须 要 有 图 腾 极 （ totem-pole） 电 路 ， 而 且 在 驱 动 上 也 较 为 困 难 些 ， 此 困 难 乃起 因 于 负 载 上 的 电 压 增 加 ， 而 共 漏 极 的 MOSFET 加 强 电 压 (enhancement voltage)就 会 降 低 。6465图 4-27 我 们 可 以 很 容 易 地 了 解 此 电 路 ， 在 此 结 构 中 ， 当 MOSFET（ ON） 状 态 时 ， 则 负 载 ZL上 的 电 压 会 升 到 V2 电 压 值 ， 这 就 是 Q3的 加 强 电 压 值 降 低 了 ， 而 且 除 非 V1V2， 否 则 ZL上 的 电 压 不会 达 至 V2 值 。 因 此 ， 我 们 必 须 在 Q3 的 闸 极 上 产 生 一 电 压 来 大 于 负 载 上 的 电 压 ， 而 且 此 供 给 电 压 无法 获 致 时 ， 我 们 可 使 用 图 4-28 的 靴 带 式 电 路 （ bootstrap circuit） 。在 此 电 路 中 ， 当 Q1与 Q3处 于 ON 状 态 时 ， 电 容 器 C 经 由 二 极 体 D 充 电 至 （ V-VD） 电 压 值 ， 当Q4与 Q3 处 于 OFF 状 态 时 ， Q2 的 闸 极 电 压 会 被 牵 引 至 上 述 的 电 压 值 ， 并 将 Q2导 通 ， 使 负 载 ZL上 的电 压 为 （ V-VGS） 。 当 然 ， 由 于 Q2的 输 入 阻 抗 非 常 高 ， 电 容 器 C 上 能 够 保 持 住 足 够 的 充 电 电 荷 ， 而 将Q2完 全 导 通 ， 电 容 器 C 的 值 必 须 选 得 足 够 大 ， 使 能 维 持 住 此 充 电 电 荷 ， 一 般 最 好 的 选 择 方 法 是 C10Ciss。66另 外 我 们 可 使 用 其 它 的 方 法 来 驱 动 共 源 极 的 MOSFET， 此 为 变 压 器 耦 合 驱 动 的 方 法 ， 典 型 的 电路 如 图 4-29 所 示 ， 而 且 亦 可 应 用 于 桥 式 电 路 的 设 计 上 ， 输 入 驱 动 脉 波 Vin都 在 同 相 位 （ in phase） ，电 晶 体 配 对 Q1- Q2与 Q5-Q6 组 成 射 极 随 耦 器 的 驱 动 器 ， MOSFET Q3经 由 变 压 器 来 驱 动 ， MOSFET Q4由 Q5-Q6组 成 的 射 极 随 耦 器 来 直 接 耦 合 驱 动 ， 由 于 变 压 器 T1的 初 级 与 次 级 绕 组 极 性 相 同 （ 由 黑 色 圆圈 的 标 记 符 号 决 定 ） ， 当 Q4 处 于 OFF 时 ， Q3 则 处 于 ON 状 态 ， 反 之 Q3OFF 时 ， Q4则 为 ON 状 态 。电 阻 R1与 R3用 来 抑 制 寄 生 振 荡 （ parasitic oscillations） ， 电 阻 R2与 R4 则 用 来 帮 助 MOSFET 达 到 OFF状 态 。4.9.8 功 率 型 MOSFET 开 关 保 护 电 路 （ Power MOSFET Switch Protection Circuits）我 们 曾 提 过 由 MOSFET SOA 的 特 性 曲 线 可 得 知 ， 在 不 需 用 到 箝 制 电 路 情 况 下 ， 经 由 功 率 型MOSFET， 就 可 能 转 换 至 最 大 功 率 。 虽 然 以 上 的 陈 述 是 事 实 ， 但 是 在 设 计 上 最 好 考 虑 在 MOSFET 开关 上 加 装 RC 箝 制 电 路 之 优 点 。 首 先 ， RC 箝 制 电 路 可 以 改 变 MOSFET 的 负 载 线 ， 增 加 其 可 靠 度 至最 大 值 范 围 ， 其 次 就 是 箝 制 电 路 可 以 消 耗 额 外 的 OFF 时 ， 所 产 生 的 能 量 ， 避 免 消 耗 在 MOSFET 开关 上 。 如 此 MOSFET 的 应 力 可 被 减 少 至 最 低 值 ， 而 不 会 影 响 到 整 个 开 关 的 效 率 。67在 此 有 一 点 有 趣 且 值 得 注 意 的 是 ， 当 我 们 使 用 双 极 式 功 率 电 晶 体 时 ， 在 其 上 需 加 上 漏 电 感 转 换二 极 体 ， 来 将 感 应 的 能 量 返 回 至 供 应 电 源 的 汇 流 排 上 ， 然 而 使 用 功 率 型 MOSFET 时 ， 就 不 再 需 要 此转 换 二 极 体 了 ， 这 是 因 为 在 所 有 MOSFET 结 构 上 ， 就 会 在 通 道 （ channel） 上 并 联 本 体 漏 极 PN 接 面（ body-drain PN junction） ， 如 图 4-30 所 示 的 MOSFET 开 关 ， 其 中 积 体 的 本 体 漏 极 二 极 体 是 包 含 在原 结 构 上 ， 而 RC 箝 制 电 路 则 为 外 加 的 保 护 电 路 。虽 然 MOSFET 的 暂 态 时 间 较 双 极 式 电 晶 体 要 短 ， 而 在 4-8 节 用 来 计 算 双 极 式 电 晶 体 R 与 C 值 的公 式 ， 亦 可 适 用 于 功 率 型 的 MOSFET 上 。685 高 频 率 的 功 率 变 压 器THE HIGH-FREQUENCY POWER TRANSFORMER5-0 概 论 (INTRODUCTION)很 多 科 学 家 认 为 磁 性 元 件 的 设 计 是 一 种 “ 高 深 的 技 术 ” ， 其 实 这 乃 是 一 种 最 重 的 错 误 观 念 。 磁 性元 件 的 设 计 乃 为 精 密 的 科 学 ， 而 那 些 所 有 正 确 的 基 本 电 磁 定 律 ， 乃 由 以 前 的 科 学 家 们 所 研 究 发 展 出来 ， 如 Maxwell, Ampere , Oersted ,与 Gauss 等 人 。本 章 主 要 目 的 就 是 介 绍 基 本 的 磁 学 定 律 ， 而 且 为 了 实 际 的 电 磁 元 件 设 计 ， 如 线 圈 与 变 压 器 ， 我们 将 以 简 单 的 ， 合 逻 辑 的 ， 有 条 理 的 方 式 来 深 入 浅 出 介 绍 磁 性 与 电 性 之 间 存 在 的 关 系 。5-1 电 磁 的 原 理 （ PRINCIPLES OF ELECTROMAONETISM）考 虑 如 图 5-1 所 示 的 简 单 电 路 ， 此 由 电 压 源 V， 开 关 S 与 负 载 L， 组 成 一 个 空 气 线 圈 （ air coil）的 电 路 ， 如 果 在 某 些 情 况 下 ， 开 关 S 被 关 闭 （ closed） ,则 会 有 电 流 I 产 生 经 由 线 上 流 至 负 载 ， 当 电流 通 过 线 圈 时 ， 就 会 有 磁 场 被 建 立 起 来 ， 如 图 中 所 示 ， 连 接 于 线 圈 之 间 所 产 生 的 磁 场 ， 此 乃 为 称 之为 磁 通 量 （ flux） ,而 磁 场 中 的 磁 力 线 可 称 之 为 磁 通 链 (flux linkages)。图 5-1 流 经 空 气 线 圈 的 电 流 I 会 有 磁 通 量 的 产 生图 5-2 铁 磁 材 料 棒 置 于 线 圈 之 内 会 产 生 较 多 或 较 强 的 磁 通 量69然 而 ， 在 此 线 圈 中 的 磁 通 量 并 不 会 很 大 ， 如 果 我 们 在 线 圈 中 加 入 磁 性 材 料 （ 铁 磁 材 料 ） 棒 ， 则会 有 额 外 的 磁 场 被 感 应 产 生 ， 因 此 ， 也 就 会 有 更 多 的 磁 通 量 被 产 生 ， 如 图 5-2 所 示 。 而 磁 通 链 将 沿着 磁 棒 前 进 ， 并 经 由 空 气 传 导 路 径 形 成 一 回 路 ， 如 果 铁 磁 铁 心 （ ferromagnetic core） 以 此 种 方 式 构成 并 取