開關(guān)電源雙極性晶體管的開關(guān)特性

所謂雙極性，是指有兩個(gè)PN結(jié)的普通開關(guān)三極管，在“彩顯”中一般作為開關(guān)電源、行輸出級和S校正電路的切換開關(guān)。三極管的開關(guān)狀態(tài)和模擬放大狀態(tài)的要求明顯不同，對開關(guān)特性的描述也不是通常的fT、fa所能概括的。

在開關(guān)電源中，是通過三極管開與關(guān)的時(shí)間比（即占空比）穩(wěn)定輸出電壓的。在這里，三極管被當(dāng)作開關(guān)使用，利用三極管的放大作用，通過極小的基極電流控制集電極電流。當(dāng)集電極電流飽和時(shí)，認(rèn)為開關(guān)已接通，而集電極電流截止時(shí)，則認(rèn)為開關(guān)已斷開。

但是，三極管的開/關(guān)并非處于理想狀態(tài)，導(dǎo)通時(shí)尚有其飽和壓降VCES，斷開時(shí)其IC≠0，而具有一定的ICEO。與理想開關(guān)相比，晶體管作為開關(guān)并非完全隨基極控制電流同時(shí)進(jìn)行開/關(guān)，其中存在一定的過程。

為了研究三極管開/關(guān)此瞬間過程，首先對開/關(guān)的相對值作一規(guī)定，即當(dāng)集電極電流達(dá)到其最大飽和電流90%時(shí)，認(rèn)定它已接通，而集電極電流下降為I。的10％時(shí)，認(rèn)為它已經(jīng)斷開。按此標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量，三極管開/關(guān)過程所需時(shí)間作為衡量三極管的開關(guān)特性的比較標(biāo)準(zhǔn)。

晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)和工作在線性放大狀態(tài)有完全不同的要求。放大狀態(tài)要求三極管的Ic應(yīng)該完全受控于IB，且兩者有穩(wěn)定的線性關(guān)系，包括放大后的模擬波形和輸入波形有完全相同的包絡(luò)線。開關(guān)狀態(tài)則要求三極管的基極電流達(dá)到Icm/hfe，其集電極電流立即上升到Icm，不應(yīng)有過渡過程。但實(shí)際上這是不可能的，因?yàn)槿龢O管是利用其放大特性工作于開關(guān)狀態(tài)的。

任何三極管其IC-IB特性均為與x軸有一夾角的斜線，該斜線的斜率（即夾角）永遠(yuǎn)不會(huì)垂直于X軸（即hfe不會(huì)無窮大），那么，Ir控制Ic由零增長到Icm也必然要符合斜線的規(guī)律才能達(dá)到，因而通/斷都需一定的時(shí)間。

除此而外，雙極性晶體管基本放大原理也使開關(guān)動(dòng)作需一定的時(shí)間。晶體管處于放大狀態(tài)，常用最高截止頻率(fT)和共基極放大狀態(tài)最高頻率(fa)表示晶體管可工作的頻率范圍。但是，fT、fa并不能確切的表示晶體管的開關(guān)特性，雖然fT、fa越高，三極管的開關(guān)特性也越好，但有的晶體管fr、fa相同，其開關(guān)特性卻不盡相同。因此，三極管的開關(guān)特性常用開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff來表示。

導(dǎo)通時(shí)間是指，當(dāng)基極驅(qū)動(dòng)脈沖加入后，集電極電流由零達(dá)到飽和值90%所占用的時(shí)間。為了排除驅(qū)動(dòng)電流的影響，假設(shè)加到基極一發(fā)射極之間的控制電流為理想的矩形波，見下圖所示。在基極電流以垂直于X軸的特性上升時(shí)，集電極電流Ic并不隨之升高，而是有一延遲時(shí)間t。，在此時(shí)間內(nèi)lc呈緩慢曲線上升到Icm的10%。產(chǎn)生延遲時(shí)間的原因是：三極管在截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，基區(qū)基本無自由電子，當(dāng)控制電壓突然升高時(shí)，欲使發(fā)射結(jié)達(dá)到VB≥+0.6V，輸入電流必須不斷地給發(fā)射結(jié)電容充電，以降低PN結(jié)的內(nèi)部電場，然后再向基區(qū)發(fā)射電子，因而需經(jīng)過一段時(shí)間(ta)。ta正比于發(fā)射結(jié)電容，反比于發(fā)射結(jié)的面積。開關(guān)管功率越大，必然發(fā)射結(jié)面積相應(yīng)增大，欲要減小t，就越加困難。

發(fā)射結(jié)的充電速度，不僅與輸入驅(qū)動(dòng)脈沖的內(nèi)阻有關(guān)，而且與三極管的截止有關(guān)。如果三極管處于深度截止（即反向偏置過大），ta也越慢。當(dāng)Ic達(dá)到10%的Icm時(shí)，在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下，Ic隨IB呈線性增長。其增長速度即從Ic由10%到90%曲線的斜率等于該管的hfe。

前面已提到，此段曲線不可能是垂直線，因而形成上升時(shí)間tr。很明顯，三極管的hfe越大，Tr越短。經(jīng)過延遲時(shí)間與上升時(shí)間之后，三極管Ic=90%的Icm才認(rèn)為其已經(jīng)導(dǎo)通，開關(guān)閉合，因此導(dǎo)通時(shí)間為ta+tr。當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖回落至零時(shí)，開關(guān)的關(guān)斷同樣需要一定的時(shí)間。

當(dāng)開關(guān)管飽和時(shí)，基區(qū)必然積累較多的電荷，集電結(jié)形成空穴積累，飽和過程中必然出現(xiàn)IB>IC/hFE,這是使三極管進(jìn)入飽和區(qū)的可靠保證。但如果IB遠(yuǎn)大于IC/hFE，即處于過飽和狀態(tài)（或稱深度飽和狀態(tài)），基區(qū)存儲(chǔ)電荷越多，集電結(jié)空穴積累越嚴(yán)重，當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖截止時(shí)，存儲(chǔ)電荷的消散時(shí)間也越長，因而在驅(qū)動(dòng)脈沖截止后，將Ic由90%降低為10%的時(shí)間稱為存儲(chǔ)時(shí)間ts。從三極管結(jié)構(gòu)來說，基區(qū)和集電區(qū)越薄，存儲(chǔ)電荷量就越小，tr也就越小。經(jīng)過ts之后，三極管隨存儲(chǔ)時(shí)間基區(qū)正偏逐漸消失，Ic隨之下降，形成下降時(shí)間tf。

存儲(chǔ)時(shí)間ta+tf，即構(gòu)成開關(guān)管關(guān)斷時(shí)間。導(dǎo)通時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間首先取決于三極管的結(jié)構(gòu)和工藝，其次才是設(shè)計(jì)合理的開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路。

導(dǎo)通時(shí)間和截止時(shí)間構(gòu)成開關(guān)管的導(dǎo)通損耗和截止損耗。因?yàn)樵诖藭r(shí)間內(nèi)，三極管處于放大區(qū)，其管壓降必然增大，功耗隨之增加。與此相同的原理，二極管也有導(dǎo)通／截止時(shí)間，不過，在開關(guān)電源中，影響最大的是二極管的反向恢復(fù)時(shí)間。當(dāng)二極管導(dǎo)通后，外加脈沖降為零，二極管并不會(huì)立即截止，恢復(fù)到截止需一定時(shí)間（與上述相同的原因）。當(dāng)工作頻率升高時(shí)，正向脈沖過后二極管不能及時(shí)恢復(fù)，其單向?qū)щ娦詣t使電路處于短路狀態(tài)。二極管的恢復(fù)時(shí)間除取決于PN結(jié)、N電容以外，還與工藝結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此有普通工頻整流二極管、快恢復(fù)二極管、肖特基二極管之分。

普通工頻整流二極管正向壓降范圍為1～2V，隨耐壓升高有不同程度的增大。目前其最高反壓可作到5kV以上，最大整流電流達(dá)到kA以上。所謂工頻，不單指頻率，還指其波形是正弦波，其反向恢復(fù)時(shí)間比較慢，因此，此類二極管不適直用在方波逆變器中作整流和阻尼。在開關(guān)電源中，也只能用于交流電源整流。

快恢復(fù)二極管，指反向恢復(fù)時(shí)間在50～200ns范圍內(nèi)，可用于100kHz。以下的開關(guān)脈沖的整流、箝位及開關(guān)管的阻尼電路等。快恢復(fù)二極管的參數(shù)與生產(chǎn)工藝有關(guān)，反向恢復(fù)時(shí)間最快的屬外延法生產(chǎn)的二極管．一般手冊中所列最高反壓為其擊穿電壓的80%，選用時(shí)需注意留有適當(dāng)?shù)挠嗔俊?/span>

肖特基二極管SBD為多數(shù)載流子單向?qū)щ娖骷?，其開關(guān)時(shí)間極短，一般為50～100ns。其最大特點(diǎn)是：

正向壓降理論上為0.3～0.5V，額定電流不超出0.6～0.8V，比PN結(jié)二極管的最大正向壓降1～1.2V低近一倍，因此作低壓大電流脈沖整流十分有利。但肖特基二極管反向電壓較低，大多為40V以下，只有極少數(shù)產(chǎn)品能達(dá)到100V。一股用于低壓輸出開關(guān)電源中和大電流低電壓的脈沖整流電路中。