提高三极管开关速度的几种方法

晶体三极管是控制电流的半导体器件，工作原理是通过在三极管的两端施加合适电压来控制三极管另一端的电流，主要作用是用于开关、放大等。

 

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三极管的分类和工作特性

晶体三极管可以分为NPN和PNP管，NPN晶体管的电路符可以表示为图一，b管脚对应基极，c管脚对应集电极，e管脚对应发射极。

图一 NPN

图二 PNP

 

三极管可以管子在截止区、放大区和饱和区。

1.三极管工作在截止区

NPN：当给定VGS的电压小于所用管子VGSth时，PNP：当给定VGS的电压大于所用管子VGSth时，管子截止。

2.三极管工作在放大状态

在该状态下，IC受到IB的控制。

3.三极管工作在饱和状态

IC不随IB增大而引起变化，UCE之间的压差约0.2V左右。

图三  特性曲线

 

三极管典型开关电路设计

图四 典型开关电路设计

 

该电路输出与输入相反电平，输入高电平，三极管导通，输出低电平；当输入低电平时，输出为高电平。R2的作用是在没有输入的情况下，保证基极电压处于低电平，保证三极管处于稳定状态，避免造成风险，R1和RL起限流作用，避免管子烧坏。

 

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如何提高三极管开关速度？

开关时间决定三极管的开关速度，三极管有开启和关断过程，对应开启时间。

晶体管开关波形如图五。开启时间由延迟时间以及上升时间组成，关断时间又分为存储时间和下降时间 。

 

（1）延迟时间

延迟时间指的是对C和E极之间的电容充电的时间，增大晶体管的基极电流，从而加快基极电容充电速度。但是基极电流过大的话，会导致晶体管出现深度饱和情况，反而让存储时间增长，导致关断时间变大，所以基极电流需要适当选取。

 

（2）上升时间

三极管达到临界饱和所需要的时间被称为上升导通时间。增大基极输入电流，使得集电极电流达到饱和。同样，基极电流也不能太大，否则将会使得存储时间延长，导致关断时间变大。

 

（3）存储时间

三极管从饱和状态（集电极正偏）到临界饱和状态（集电极0偏）所需要的时间称作为存储时间，缩短存储时间通过增大基区抽取电流，加快过量存储电荷的泄放速度。

 

（4）下降时间

临界饱和到基极电压为0时候的时间称作为下降时间。

图五 晶体管开关过程波形

 

总之，为了减小三极管的开关时间、提高开关速度，在三极管的使用上可以作如下考虑：

a）增大基极电流，减短延迟时间，但过大的基极电流会导致存储时间增加

b）增大基极电流，可减短存储时间和下降时间

c）加速电容

在基极限流电阻并联小容量的电容（一般pF级别），当输入信号上升、下降时能够使限流电阻瞬间被旁路并提供基极电流，所以在晶体管由导通状态变化到截止状态时能够迅速从基极抽取电子（因为电子被旁路），消除开关时间的滞后，这个电容的作用是提高开关速度，因此称为加速电容。如下图：

图六 并联加速电容

 

d）肖特基钳位

利用肖特基箝位也可以加快晶体管开关速度。

如下，肖特基势垒二极管箝位在b极到c极之间，二极管开关速度快，正向压降比PN结小。本该流过三极管的大部分基极电流被D1旁路掉，而流过三极管的电流非常小，这时三极管的导通状态接近截止状态，节省了三极管饱和导通与退出的时间。

图七 肖特基箝位BC极间