有效加快晶體管開關(guān)速度方法的研究

楊全忠

摘 要：主要對(duì)有效加快晶體三極管開關(guān)速度的方法展開了探討，詳細(xì)闡述了晶體三極管的開關(guān)過程和開關(guān)時(shí)間，并給出了一些有效加快晶體管開關(guān)速度的方法，以期能為有關(guān)方面提供一定的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：晶體三極管；開關(guān)速度；開關(guān)時(shí)間；驅(qū)動(dòng)信號(hào)

中圖分類號(hào)：TN722.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.03.115

晶體三極管是一種控制電流的半導(dǎo)體器件，其作用是將微弱信號(hào)放大成幅度值較大的電信號(hào)，也用作無觸點(diǎn)開關(guān)。當(dāng)晶體三極管被用作電路開關(guān)時(shí)，我們需要有效加快晶體三極管的開關(guān)速度，以給電路運(yùn)行帶來幫助。

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)等效于開關(guān)閉合，截止?fàn)顟B(tài)等效于開關(guān)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)，晶體三極管處于飽和狀態(tài)，等效于開關(guān)閉合；當(dāng)發(fā)射結(jié)反向偏置時(shí)，晶體三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，等效于開關(guān)斷開。

實(shí)際中，晶體三極管并非理想的開關(guān)元件，它從截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)需要一個(gè)開通過程，且需要一定的時(shí)間，從飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)需要一個(gè)關(guān)斷過程，也需要一定的時(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)轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)需要的時(shí)間稱為“開通時(shí)間”，用“td+tr”表示；從飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)需要的時(shí)間稱為“關(guān)斷時(shí)間”，用“tstg+tf”表示。開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間簡稱“開關(guān)時(shí)間”。

2 晶體三極管的開關(guān)時(shí)間

晶體三極管的開關(guān)時(shí)間可以分為以下四種：①延遲時(shí)間（td），是指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%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管壓降下降時(shí)間（tr），是指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存儲(chǔ)時(shí)間（tstg），是指從基極電流反向時(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)電荷抽走需要一定的時(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)間值越大。④管壓降上升時(shí)間（tf），是指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)合需要一定的時(shí)間。在這四個(gè)時(shí)間中，存儲(chǔ)時(shí)間tstg最長，可達(dá)微秒數(shù)量級(jí)，是影響晶體三極管開關(guān)速度的最主要因素。

3 加快晶體管開關(guān)速度的方法

加快晶體三極管開關(guān)速度實(shí)質(zhì)上就是縮短管子開關(guān)時(shí)間。在縮短管子開關(guān)時(shí)間時(shí)，可以采用以下三種方式。

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)電容的充電過程，發(fā)射結(jié)的正向偏置電壓快速建立，進(jìn)而可以縮短延遲時(shí)間td；選用放大倍數(shù)大的管子可以縮短基區(qū)載流子積累需要的時(shí)間，進(jìn)而縮短管壓降下降時(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，加快晶體管的開關(guān)速度，需采用理想的晶體管驅(qū)動(dòng)信號(hào)。如圖2所示為理想的晶體管驅(qū)動(dòng)信號(hào)。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)幅值有所降低，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縮短關(guān)斷時(shí)間、減少關(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。

3.3 應(yīng)用抗飽和晶體三極管技術(shù)

為了縮短存儲(chǔ)時(shí)間tstg，以加快晶體三極管的開關(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)處于臨界飽和狀態(tài)，這就是晶體三極管的抗飽和技術(shù)。臨界飽和區(qū)是指深度飽和區(qū)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)，這要比將深度飽和導(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)，以限制晶體管導(dǎo)通時(shí)的飽和深度的技術(shù)。

圖3所示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，與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0.4 V，要比一般硅PN結(jié)的導(dǎo)通壓降小約0.3 V，由于肖特基二極管的導(dǎo)通將對(duì)晶體三極管T的基極電流起分流作用，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0.4 V）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)，從而縮短了存儲(chǔ)時(shí)間tstg，加快了開關(guān)速度。

圖4所示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，且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)，由于UD1+UCE=UD2+UD3+UBE，因此晶體三極管的導(dǎo)通壓降為UCE=1.4 V。如果去掉二極管D2，則晶體三極管的導(dǎo)通壓降變?yōu)閁CE=0.7 V。

4 結(jié)束語

綜上所述，晶體三極管作為一種新型的材料，被逐漸應(yīng)用于電路開關(guān)中。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要采取合理、有效的措施加快晶體三極管的開關(guān)速度，以提高電路運(yùn)行的效率，從而為電路的運(yùn)行提供保障。

參考文獻(xiàn)

[1]王恩普.分壓式共射放大器故障分析教學(xué)[J].電子技術(shù)，2012（10）.

[2]張世輝，陳霞.基于UC3843升壓式程控開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用，2011（02）.

〔編輯：劉曉芳〕