为什么在反激式转换器中使用BJT？

。在t1时间段内，变压器(T1 通电，BJT驱动到饱和状态。一旦在t1终点达到所需电流时，就可通过 FET 将 BJT 的基极拉低。此时，所有的集电极电流都将流出晶体管基极，注入DRV控制器引脚(IDRV)。

　　反向恢复与基极电流的耗尽

　　在t2时间段，基极集电极结点进入反向恢复，晶体管保持导通，直至基极电流消耗到大约集电极电流的一半。注意，该时间段集电极电流与发射极电流之差即为流经晶体管基极的电流。晶体管保持导通，集电极电流的量级大致保持不变。该时间段也称为BJT存储时间(tS)，可在器件的产品说明书上查到。

　　存储时间结束、t3开始时，晶体管开始关断。在这个时间段内，晶体管PN两个结点都进入了反向恢复。在晶体管关断，集电极电流将耗尽时，基极和发射极共享集电极电流。集电极电压逐渐升高，直至器件完全关断。当BJT 完全关断时，集电极电压达到最大值。该电压是输入电压、变压器反射输出电压以及变压器漏电感造成的峰值电压之和。

　　在 t4 时间段内，能量不仅提供给二次绕组，而且二极管DG开始传导，从而可为输出提供能量。当变压器的能量耗尽时，集电极电压开始围向接地。该电压可通过辅助绕组的匝数比 (NA/NP)传感。当控制器观察到变压器失电，就可增加t5延迟来实现谷值开关。注意，图4 中的波形只是一个截图，此时转换器工作在近临界传导状态下，正在进行谷值开关。控制器不仅可调节初级电流的频率和幅度，而且还可驱动转换器进入非连续模式，从而可控制占空比。这些转换器的最大占空比发生在转换器工作在设计设定的近临界传导状态下时。

　　估算 BJT 中传导及开关损耗的计算方法与二极管类似。基极、发射极和集电极饱和电压可按电池进行建模，与二极管正向电压类似。平均电流可用来估算平均传导损耗。在本应用中，计算中涉及的所有电流均为三角形或梯形。平均计算不仅使用基本几何原理，而且还有清楚的记录。主要差别在于 BJT 具有电荷存储延迟(tS)。BJT 晶体管的基极需要在器件开始关断之前，移除一定数量的存储电荷 (QS)。这就需要知道如何计算PN 结点的反向恢复电荷(QR)。反向恢复电荷是指让半导体器件停止传导所需的反向电荷数量。

　　为了计算BJT 开关(QA) 的损耗，我们来看看使用 NPN 晶体管(工作在 115V RMS 输入下)的 5W USB 反激式转换器。详细规范见表1。峰值集电极电流(IC(PK)通过控制器限制为360mA，转换器最高频率(fMAX)按设计限制在70KHz。在 115VRMS 输入的满负载情况下，该转换器的平均开关频率(fAVG)为56KHz。根据最低输入电压，转换器设计采用的最大占空比(DMAX)为52%。在该输入条件下，最高集电极电压(VC(MAX))为250V。

(等式 3)

　　晶体管损耗估算

　　估算晶体管损耗，需要估算图 4 中所示的各个时间段。t1 时间段是最大占空比的时长，对于本设计示例而言大约是7.4us。

(等式 4)

　　估算t2 时间段，需要计算器件的存储电荷(QS)。

　　根据产品说明书的tS参数以及基极放电电流(I，存储电荷为 200nC:

(等式 5)

　　在t1 时间段，该晶体管被驱动为饱和状态。在t1时间段，全部集电极电流均流经晶体管基极。由于基极在t2内进入某种类型的反向恢复，因此集电极电流在晶体管的基极和发射极之间分流。根据这一信息以及电流在该时段内为梯形的特性，t2 存储时间段的平均基极电流(IB(AVGt2))可按以下等式计算：

(等式 6)

　　有了平均基极电流和QS，t2 时间段可以通过以下等式计算：

(等式 7)

(等式 8)

　　集电极反向恢复电荷(Qr)数量可用来估算开关损耗时间段t3。根据BJT产品说明书，参数Qr的计算结果为36nC。

(等式 9)

　　按三角形特性，t3 时间段的平均集电极电流(IC(AVGt3))为180mA。该集电极电流和计算得到的Qr 可用来估算t3时间段的时长，在本设计实例中大约为200ns。

(等式 10)

(等式 11)

　　根据t1 至t3 时间段的时间估算，就可使用等式12计算BJT在115V RMS 输入下的损耗(PQA)。在该等式中，第一组项是BJT正向偏置时的基极至发射极传导损耗。第二组项是估算t1 和t2 时间段中集电极电流所引起的BJT损耗。这包括流经基极的电流。基极到集电极的反向饱和电压按 VCE(SAT)估算。第三组项用于估算 BJT 的关断损耗。

(等式 12)

　　我们通过评估5W 设计，将时间估算准确性与实际时间进行了对比。

测量到的 t1 时间是6.5us，比估算结果低2.4%。存储时间是660ns(t2=ts)，大约比估算值低 11%.测得的集电极上升时间(t3=tR)是210ns，大约比估算值高5%。根据t1 到t3 的测量时间计算出的功耗 PQA 增大到了544mW，比估算功耗高4.6%。注意这些计算依据的是产品说明书的平均存储时间和反向恢复时间。实际时间将随制造、工艺和工作