提高三極管開關(guān)速度的幾種方法

晶體三極管是控制電流的半導(dǎo)體器件，工作原理是通過在三極管的兩端施加合適電壓來控制三極管另一端的電流，主要作用是用于開關(guān)、放大等。

01

三極管的分類和工作特性

晶體三極管可以分為NPN和PNP管，NPN晶體管的電路符可以表示為圖一，b管腳對(duì)應(yīng)基極，c管腳對(duì)應(yīng)集電極，e管腳對(duì)應(yīng)發(fā)射極。

圖一 NPN

圖二 PNP

三極管可以管子在截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。

1.三極管工作在截止區(qū)

NPN：當(dāng)給定VGS的電壓小于所用管子VGSth時(shí)，PNP：當(dāng)給定VGS的電壓大于所用管子VGSth時(shí)，管子截止。

2.三極管工作在放大狀態(tài)

在該狀態(tài)下，IC受到IB的控制。

3.三極管工作在飽和狀態(tài)

IC不隨IB增大而引起變化，UCE之間的壓差約0.2V左右。

圖三 特性曲線

三極管典型開關(guān)電路設(shè)計(jì)

圖四 典型開關(guān)電路設(shè)計(jì)

該電路輸出與輸入相反電平，輸入高電平，三極管導(dǎo)通，輸出低電平；當(dāng)輸入低電平時(shí)，輸出為高電平。R2的作用是在沒有輸入的情況下，保證基極電壓處于低電平，保證三極管處于穩(wěn)定狀態(tài)，避免造成風(fēng)險(xiǎn)，R1和RL起限流作用，避免管子燒壞。

02

如何提高三極管開關(guān)速度？

開關(guān)時(shí)間決定三極管的開關(guān)速度，三極管有開啟和關(guān)斷過程，對(duì)應(yīng)開啟時(shí)間。

晶體管開關(guān)波形如圖五。開啟時(shí)間由延遲時(shí)間以及上升時(shí)間組成，關(guān)斷時(shí)間又分為存儲(chǔ)時(shí)間和下降時(shí)間 。

（1）延遲時(shí)間

延遲時(shí)間指的是對(duì)C和E極之間的電容充電的時(shí)間，增大晶體管的基極電流，從而加快基極電容充電速度。但是基極電流過大的話，會(huì)導(dǎo)致晶體管出現(xiàn)深度飽和情況，反而讓存儲(chǔ)時(shí)間增長，導(dǎo)致關(guān)斷時(shí)間變大，所以基極電流需要適當(dāng)選取。

（2）上升時(shí)間

三極管達(dá)到臨界飽和所需要的時(shí)間被稱為上升導(dǎo)通時(shí)間。增大基極輸入電流，使得集電極電流達(dá)到飽和。同樣，基極電流也不能太大，否則將會(huì)使得存儲(chǔ)時(shí)間延長，導(dǎo)致關(guān)斷時(shí)間變大。

（3）存儲(chǔ)時(shí)間

三極管從飽和狀態(tài)（集電極正偏）到臨界飽和狀態(tài)（集電極0偏）所需要的時(shí)間稱作為存儲(chǔ)時(shí)間，縮短存儲(chǔ)時(shí)間通過增大基區(qū)抽取電流，加快過量存儲(chǔ)電荷的泄放速度。

（4）下降時(shí)間

臨界飽和到基極電壓為0時(shí)候的時(shí)間稱作為下降時(shí)間。

圖五 晶體管開關(guān)過程波形

總之，為了減小三極管的開關(guān)時(shí)間、提高開關(guān)速度，在三極管的使用上可以作如下考慮：

a）增大基極電流，減短延遲時(shí)間，但過大的基極電流會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)時(shí)間增加

b）增大基極電流，可減短存儲(chǔ)時(shí)間和下降時(shí)間

c）加速電容

在基極限流電阻并聯(lián)小容量的電容（一般pF級(jí)別），當(dāng)輸入信號(hào)上升、下降時(shí)能夠使限流電阻瞬間被旁路并提供基極電流，所以在晶體管由導(dǎo)通狀態(tài)變化到截止?fàn)顟B(tài)時(shí)能夠迅速從基極抽取電子（因?yàn)殡娮颖慌月罚?，消除開關(guān)時(shí)間的滯后，這個(gè)電容的作用是提高開關(guān)速度，因此稱為加速電容。如下圖：

圖六 并聯(lián)加速電容

d）肖特基鉗位

利用肖特基箝位也可以加快晶體管開關(guān)速度。

如下，肖特基勢壘二極管箝位在b極到c極之間，二極管開關(guān)速度快，正向壓降比PN結(jié)小。本該流過三極管的大部分基極電流被D1旁路掉，而流過三極管的電流非常小，這時(shí)三極管的導(dǎo)通狀態(tài)接近截止?fàn)顟B(tài)，節(jié)省了三極管飽和導(dǎo)通與退出的時(shí)間。

圖七 肖特基箝位BC極間