有效加快晶体管开关速度方法的研究

杨全忠

摘 要：主要对有效加快晶体三极管开关速度的方法展开了探讨，详细阐述了晶体三极管的开关过程和开关时间，并给出了一些有效加快晶体管开关速度的方法，以期能为有关方面提供一定的参考和借鉴。

关键词：晶体三极管；开关速度；开关时间；驱动信号

中图分类号：TN722.4 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.03.115

晶体三极管是一种控制电流的半导体器件，其作用是将微弱信号放大成幅度值较大的电信号，也用作无触点开关。当晶体三极管被用作电路开关时，我们需要有效加快晶体三极管的开关速度，以给电路运行带来帮助。

1 晶体三极管的开关过程

假设晶体三极管是一个理想的开关元件，其饱和状态等效于开关闭合，截止状态等效于开关断开，开关是闭合，还是断开，主要取决于晶体三极管发射结的偏置情况——当发射结正向偏置时，晶体三极管处于饱和状态，等效于开关闭合；当发射结反向偏置时，晶体三极管处于截止状态，等效于开关断开。

实际中，晶体三极管并非理想的开关元件，它从截止状态转变为饱和状态需要一个开通过程，且需要一定的时间，从饱和状态转变为截止状态需要一个关断过程，也需要一定的时间。晶体三极管的开关过程如图1所示。其中，从截止状态转变为饱和状态需要的时间称为“开通时间”，用“td+tr”表示；从饱和状态转变为截止状态需要的时间称为“关断时间”，用“tstg+tf”表示。开通时间和关断时间简称“开关时间”。

2 晶体三极管的开关时间

晶体三极管的开关时间可以分为以下四种：①延迟时间（td），是指从有基极电流开始到UCE降到其截止状态时对应的值的90%的时间间隔。它产生的原因是基极电流向发射结电容充电需要一个过程，发射结正向偏置电压需要逐步建立。②管压降下降时间（tr），是指UCE从其截止状态时对应的值的90%降到10%所需的时间。它产生的原因是积累基区载流子需要一定的时间。③存储时间（tstg），是指从基极电流反向时刻开始到UCE为其截止状态时对应的值的10%的时间间隔。它产生的原因是基区过剩存储电荷抽走需要一定的时间。过剩存储电荷的多少取决于饱和深度，饱和深度越深，过剩存储电荷越多，存储时间值越大。④管压降上升时间（tf），是指UCE从其截止状态时对应的值的10%上升到90%所需的时间。它产生的原因是基区电荷的继续抽走和管内载流子复合需要一定的时间。在这四个时间中，存储时间tstg最长，可达微秒数量级，是影响晶体三极管开关速度的最主要因素。

3 加快晶体管开关速度的方法

加快晶体三极管开关速度实质上就是缩短管子开关时间。在缩短管子开关时间时，可以采用以下三种方式。

3.1 选择合适的晶体三极管参数

选用晶体三极管反射结电容CBE较小的管子可以加快发射结电容的充电过程，发射结的正向偏置电压快速建立，进而可以缩短延迟时间td；选用放大倍数大的管子可以缩短基区载流子积累需要的时间，进而缩短管压降下降时间tr。

3.2 采用理想的晶体管驱动信号

为了缩短开通时间和关断时间，加快晶体管的开关速度，需采用理想的晶体管驱动信号。如图2所示为理想的晶体管驱动信号。在开通晶体管时，驱动信号上升陡峭而且幅值比较大，使晶体管迅速处于导通状态。进入导通状态以后，为了减少导通损耗，驱动信号幅值有所降低，维持晶体管导通。在关断晶体管时，驱动信号施加一定的反向基极电流有利于缩短关断时间、减少关断损耗。关断后，同样应在基极和发射极之间施加一定幅值的负偏压，维持功率晶体管关断。

3.3 应用抗饱和晶体三极管技术

为了缩短存储时间tstg，以加快晶体三极管的开关速度，常在晶体三极管上增加控制环节，使管子导通时处于临界饱和状态，这就是晶体三极管的抗饱和技术。临界饱和区是指深度饱和区与线性区之间的区域，对应晶体三极管输出特性曲线中开始弯曲的部分。在临界饱和区，电流增益开始下降，但晶体管仍保持发射结正偏、集电结反向偏置的状态，这要比将深度饱和导通的晶体管（发射结正偏、集电结正偏）转为关断状态要容易得多、快得多。晶体三极管的抗饱和技术就是增加控制环节，以限制晶体管导通时的饱和深度的技术。

图3所示为肖特基二极管控制的抗饱和晶体三极管。这种抗饱和晶体三极管称为“肖特基二极管箝位晶体管”。当晶体三极管T进入饱和状态后，其集电结正偏，与它并接的肖特基二极管也正偏。肖特基二极管的导通压降只有约0.4 V，要比一般硅PN结的导通压降小约0.3 V，由于肖特基二极管的导通将对晶体三极管T的基极电流起分流作用，晶体管集电结上的电压始终被箝位在肖特基二极管的导通压降（约0.4 V）上。这就避免了晶体三极管导通时进入深度饱和状态，从而缩短了存储时间tstg，加快了开关速度。

图4所示为由二极管组成的贝克箝位电路控制的抗饱和晶体三极管。当晶体三极管Q导通，且基极电流上升到使晶体管Q的饱和压降UCE小于UBE时，二极管D1开始导通。由于二极管D1的存在将对晶体三极管的基极电流有分流作用，阻止了晶体管的基极电流进一步增加，从而防止晶体管Q进入深度饱和状态。二极管D2和D3用来调整基极电流，改变晶体管Q的饱和深度，二极管D4搭建抽走基区载流子的通道。如果二极管和三极管都是硅管（UD1=UD2=UD2=UEE=0.7），当连接基极和集电极的二极管D1导通时，由于UD1+UCE=UD2+UD3+UBE，因此晶体三极管的导通压降为UCE=1.4 V。如果去掉二极管D2，则晶体三极管的导通压降变为UCE=0.7 V。

4 结束语

综上所述，晶体三极管作为一种新型的材料，被逐渐应用于电路开关中。但是，在实际应用中，我们需要采取合理、有效的措施加快晶体三极管的开关速度，以提高电路运行的效率，从而为电路的运行提供保障。

参考文献

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[2]张世辉，陈霞.基于UC3843升压式程控开关稳压电源的设计[J].电脑开发与应用，2011（02）.

〔编辑：刘晓芳〕