陳學(xué)鋒

(河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校，河南新鄉(xiāng)453000)

淺談晶體三極管開關(guān)速度的提高*

陳學(xué)鋒

(河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校，河南新鄉(xiāng)453000)

晶體三極管在電路中作為開關(guān)使用的時(shí)候，其開關(guān)閉合過程和斷開過程都需要一定的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間稱為開關(guān)時(shí)間。提高開關(guān)速度也就是縮短開關(guān)時(shí)間對(duì)電路具有重要的意義，文章介紹了三種提高晶體三極管開關(guān)速度的方法。

開關(guān)過程，開關(guān)時(shí)間，驅(qū)動(dòng)信號(hào)，抗飽和。

晶體三極管簡(jiǎn)稱晶體管，又稱為雙極型三極管，因?yàn)樗凶杂呻娮雍涂昭▋煞N載流子同時(shí)參與導(dǎo)電。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，晶體三極管有NPN和PNP兩種類型。晶體三極管有三種不同的工作狀態(tài)，即飽和狀態(tài)、放大狀態(tài)和截止?fàn)顟B(tài)，在開關(guān)電源電路中作為開關(guān)來使用的晶體三極管工作在截止和飽和狀態(tài)。晶體三極管是電流控制型開關(guān)器件，當(dāng)基極有驅(qū)動(dòng)電流時(shí)晶體管工作在飽和狀態(tài)等效于開關(guān)的導(dǎo)通，當(dāng)基極沒有驅(qū)動(dòng)電流時(shí)晶體管工作在截止?fàn)顟B(tài)等效于開關(guān)的關(guān)斷。

1 晶體三極管的開關(guān)過程

假設(shè)晶體三極管是一個(gè)理想的開關(guān)元件，其飽和狀態(tài)等效開關(guān)的閉合，截止?fàn)顟B(tài)等效開關(guān)的斷開，開關(guān)是閉合還是斷開主要取決于晶體三極管發(fā)射結(jié)的偏置情況。當(dāng)發(fā)射結(jié)正向偏置時(shí)，晶體三極管工作在飽和狀態(tài)，等效開關(guān)閉合;當(dāng)發(fā)射結(jié)反向偏置時(shí)，晶體三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)，等效開關(guān)斷開。

實(shí)際問題中，晶體三極管并非理想的開關(guān)元件，它從截止?fàn)顟B(tài)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)有一個(gè)開通過程需要一定的時(shí)間，從飽和狀態(tài)變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)有關(guān)斷過程也需要時(shí)間。晶體三極管的開關(guān)過程如圖1所示。其中從截止?fàn)顟B(tài)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)需要的時(shí)間稱為開通時(shí)間(td+tr)，從飽和狀態(tài)變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)需要的時(shí)間稱為關(guān)斷時(shí)間(tstg+tf)，開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間簡(jiǎn)稱開關(guān)時(shí)間。

圖1 晶體三極管的開關(guān)過程

2 晶體三極管的開關(guān)時(shí)間

晶體三極管的開關(guān)時(shí)間可以分為四個(gè)部分，它們分別為延遲時(shí)間、管壓降下降時(shí)間、存儲(chǔ)時(shí)間和管壓降上升時(shí)間。

(1)td為延遲時(shí)間，指的是從有基極電流開始到UCE降到其截止?fàn)顟B(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的值的90%之間的時(shí)間間隔。它產(chǎn)生的原因是基極電流向發(fā)射結(jié)電容充電需要一個(gè)過程，發(fā)射結(jié)正向偏置電壓需要逐步建立。

(2)tr為管壓降下降時(shí)間，指的是UCE從其截止?fàn)顟B(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的值的90%降到10%所需的時(shí)間，它產(chǎn)生的原因是積累基區(qū)載流子需要一定的時(shí)間。

(3)tstg為存儲(chǔ)時(shí)間，指的是從基極電流反向時(shí)刻開始到UCE為其截止?fàn)顟B(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的值的10%的時(shí)間間隔。它產(chǎn)生的原因是基區(qū)過剩存儲(chǔ)電荷抽走需要時(shí)間。過剩存儲(chǔ)電荷的多少取決于飽和深度，飽和深度越深，過剩存儲(chǔ)電荷越多，存儲(chǔ)時(shí)間越大。

(4)tf為管壓降上升時(shí)間，指的是UCE從其截止?fàn)顟B(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的值的10%上升到90%所需的時(shí)間，它產(chǎn)生的原因是基區(qū)電荷的繼續(xù)抽走和管內(nèi)載流子復(fù)合所需的時(shí)間。

四個(gè)時(shí)間中存儲(chǔ)時(shí)間tstg最長(zhǎng)，可達(dá)微秒數(shù)量級(jí)，它是影響晶體三極管開關(guān)速度的最主要的因素。

3 提高晶體管開關(guān)速度的方法

晶體三極管開關(guān)速度的提高就是管子開關(guān)時(shí)間的縮短，為了縮短開關(guān)時(shí)間可以采用以下三種方法來實(shí)現(xiàn)。

3.1 選擇合適的晶體三極管參數(shù)

選用晶體三極管反射結(jié)電容Cbe較小的管子可以加快發(fā)射結(jié)電容充電的過程，發(fā)射結(jié)的正向偏置電壓快速建立，進(jìn)而可以減少延遲時(shí)間td;選用放大倍數(shù)大的管子可以減少基區(qū)載流子積累需要的時(shí)間，進(jìn)而減少管壓降下降時(shí)間tr。

3.2 采用理想的晶體管驅(qū)動(dòng)信號(hào)

為了縮短開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間，提高晶體管的開關(guān)速度，理想的晶體管驅(qū)動(dòng)信號(hào)如圖2所示。在開通晶體管時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)上升陡峭而且幅值比較大，使晶體管迅速處于導(dǎo)通狀態(tài)，進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)以后，為了減少導(dǎo)通損耗，驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅值有所減小，維持晶體管導(dǎo)通;在關(guān)斷晶體管時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)施加一定的反向基極電流有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗，關(guān)斷后同樣應(yīng)在基極和發(fā)射極之間施加一定幅值的負(fù)偏壓，維持功率晶體管關(guān)斷。

圖2 理想的晶體三極管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)

3.3 抗飽和晶體三極管技術(shù)

為了減少存儲(chǔ)時(shí)間tstg以提高晶體三極管的開關(guān)速度，常在晶體三極管上增加控制環(huán)節(jié)使管子導(dǎo)通時(shí)工作在臨界飽和狀態(tài)，這就是晶體三極管的抗飽和技術(shù)。臨界飽和區(qū)是指在深度飽和與線性區(qū)之間的區(qū)域，對(duì)應(yīng)晶體三極管輸出特性曲線中開始彎曲的部分。在臨界飽和區(qū)，電流增益開始下降，但晶體管仍保持發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反向偏置的狀態(tài)，這要比把深度飽和導(dǎo)通的晶體管(發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)正偏)轉(zhuǎn)為關(guān)斷狀態(tài)要容易得多、快得多。晶體三極管的抗飽和技術(shù)就是增加控制環(huán)節(jié)限制晶體管導(dǎo)通時(shí)的飽和深度的技術(shù)。

圖3為肖特基二極管控制的抗飽和晶體三極管，這種抗飽和晶體三極管稱為肖特基二極管箝位晶體管。當(dāng)晶體三極管T進(jìn)入飽和狀態(tài)后，其集電結(jié)正偏，則和它并接的肖特基二極管也正偏。肖特基二極管的導(dǎo)通壓降只有約0.4V，要比一般硅PN結(jié)的導(dǎo)通壓降約小0.3V，由于肖特基二極管的導(dǎo)通，它將對(duì)晶體三極管T的基極電流起分流作用，使得晶體管集電結(jié)上的電壓始終被箝位在肖特基二極管的導(dǎo)通壓降(約0.4V)上。這就避免了晶體三極管導(dǎo)通時(shí)進(jìn)入深度飽和狀態(tài)，從而減少了存儲(chǔ)時(shí)間tstg，提高了開關(guān)速度。

圖3 肖特基二極管控制的抗飽和三極管

圖4為由二極管組成的貝克箝位電路控制的抗飽和晶體三極管。當(dāng)晶體三極管Q導(dǎo)通時(shí)，基極電流上升到使晶體管Q的飽和壓降UCE小于UbE時(shí)，二極管D1開始導(dǎo)通。由于二極管D1的存在，它將對(duì)晶體三極管的基極電流有分流作用，阻止了晶體管的基極電流進(jìn)一步增加，從而防止晶體管Q進(jìn)入深度飽和狀態(tài)。二極管D2和D3用來調(diào)整基極電流，改變晶體管Q的飽和深度，二極管D4搭建抽走基區(qū)載流子的通道。如果二極管和三極管都是硅管(UD1=UD2=UD2=UEE=0.7)，當(dāng)連接基極和集電極的二極管D1導(dǎo)通時(shí)，因?yàn)閁D1+UCE= UD2+UD3+UbE，所以晶體三極管的導(dǎo)通壓降為UCE=1.4V。如果去掉二極管D2，則晶體三極管的導(dǎo)通壓降變?yōu)閁CE=0.7V。

圖4 貝克箝位抗飽和三極管

4 結(jié)語

晶體三極管在電路中作為開關(guān)使用的時(shí)候，其開關(guān)速度的提高對(duì)于電路具有重大的意義。尤其在開關(guān)電源電路中，晶體三極管作為功率開關(guān)管來使用，其開關(guān)速度的提高可以提升開關(guān)電源的工作頻率，而開關(guān)電源的工作頻率的提高又能改善開關(guān)電源的穩(wěn)壓精度以及相應(yīng)的指標(biāo)，晶體三極管開關(guān)速度的提高對(duì)于開關(guān)電源性能的提升具有重大的意義。

(責(zé)任編輯 呂春紅)

［1］張建生.電源技術(shù)教程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

［2］胡宴如.模擬電子技術(shù)［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［3］辛伊波，陳文清.開關(guān)電源基礎(chǔ)與應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2009.

Introduction to Transistor Sw itching Speed Increase

CHEN Xue-feng

(Henan Mechanical and Electrical Engineering College，Xinxiang 453000，China)

Transistor used as a switch in the circuit，the switch closed processes and disconnect processes require some time，this time called the switching time.Increase the switching speed is to shorten the switching time.It has important significance circuit，this paper introduces threemethods to improve the crystal triode switching speed.

switching process;switching time;drive signal;anti－saturation

TN32

A

1008-2093(2015)02-0010-03

2014-10-20

陳學(xué)鋒(1980－)，男，河南新鄉(xiāng)人，講師，碩士，主要從事電子信息工程研究。