陈学锋

(河南机电高等专科学校，河南新乡453000)

浅谈晶体三极管开关速度的提高*

陈学锋

(河南机电高等专科学校，河南新乡453000)

晶体三极管在电路中作为开关使用的时候，其开关闭合过程和断开过程都需要一定的时间，这个时间称为开关时间。提高开关速度也就是缩短开关时间对电路具有重要的意义，文章介绍了三种提高晶体三极管开关速度的方法。

开关过程，开关时间，驱动信号，抗饱和。

晶体三极管简称晶体管，又称为双极型三极管，因为它有自由电子和空穴两种载流子同时参与导电。根据结构的不同，晶体三极管有NPN和PNP两种类型。晶体三极管有三种不同的工作状态，即饱和状态、放大状态和截止状态，在开关电源电路中作为开关来使用的晶体三极管工作在截止和饱和状态。晶体三极管是电流控制型开关器件，当基极有驱动电流时晶体管工作在饱和状态等效于开关的导通，当基极没有驱动电流时晶体管工作在截止状态等效于开关的关断。

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，其饱和状态等效开关的闭合，截止状态等效开关的断开，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，晶体三极管工作在饱和状态，等效开关闭合;当发射结反向偏置时，晶体三极管工作在截止状态，等效开关断开。

实际问题中，晶体三极管并非理想的开关元件，它从截止状态变为饱和状态有一个开通过程需要一定的时间，从饱和状态变为截止状态有关断过程也需要时间。晶体三极管的开关过程如图1所示。其中从截止状态变为饱和状态需要的时间称为开通时间(td+tr)，从饱和状态变为截止状态需要的时间称为关断时间(tstg+tf)，开通时间和关断时间简称开关时间。

图1 晶体三极管的开关过程

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四个部分，它们分别为延迟时间、管压降下降时间、存储时间和管压降上升时间。

(1)td为延迟时间，指的是从有基极电流开始到UCE降到其截止状态时对应的值的90%之间的时间间隔。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)tr为管压降下降时间，指的是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)tstg为存储时间，指的是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，存储时间越大。

(4)tf为管压降上升时间，指的是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所需的时间。

四个时间中存储时间tstg最长，可达微秒数量级，它是影响晶体三极管开关速度的最主要的因素。

3 提高晶体管开关速度的方法

晶体三极管开关速度的提高就是管子开关时间的缩短，为了缩短开关时间可以采用以下三种方法来实现。

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充电的过程，发射结的正向偏置电压快速建立，进而可以减少延迟时间td;选用放大倍数大的管子可以减少基区载流子积累需要的时间，进而减少管压降下降时间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，提高晶体管的开关速度，理想的晶体管驱动信号如图2所示。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，驱动信号幅值有所减小，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减小关断时间和关断损耗，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。

图2 理想的晶体三极管的驱动信号

3.3 抗饱和晶体三极管技术

为了减少存储时间tstg以提高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工作在临界饱和状态，这就是晶体三极管的抗饱和技术。临界饱和区是指在深度饱和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，这要比把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限制晶体管导通时的饱和深度的技术。

图3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，则和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0.4V，要比一般硅PN结的导通压降约小0.3V，由于肖特基二极管的导通，它将对晶体三极管T的基极电流起分流作用，使得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0.4V)上。这就避免了晶体三极管导通时进入深度饱和状态，从而减少了存储时间tstg，提高了开关速度。

图3 肖特基二极管控制的抗饱和三极管

图4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导通时，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，它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，因为UD1+UCE= UD2+UD3+UbE，所以晶体三极管的导通压降为UCE=1.4V。如果去掉二极管D2，则晶体三极管的导通压降变为UCE=0.7V。

图4 贝克箝位抗饱和三极管

4 结语

晶体三极管在电路中作为开关使用的时候，其开关速度的提高对于电路具有重大的意义。尤其在开关电源电路中，晶体三极管作为功率开关管来使用，其开关速度的提高可以提升开关电源的工作频率，而开关电源的工作频率的提高又能改善开关电源的稳压精度以及相应的指标，晶体三极管开关速度的提高对于开关电源性能的提升具有重大的意义。

(责任编辑 吕春红)

［1］张建生.电源技术教程［M］.北京:电子工业出版社，2007.

［2］胡宴如.模拟电子技术［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［3］辛伊波，陈文清.开关电源基础与应用［M］.西安:西安电子科技大学出版社，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

陈学锋(1980－)，男，河南新乡人，讲师，硕士，主要从事电子信息工程研究。