你知道常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)電源雙極性晶體管的特性有哪些嗎?
所謂的雙極型是指具有兩個(gè)PN結(jié)的普通開(kāi)關(guān)三極管。在“彩色顯示”中,通常用作開(kāi)關(guān)電源,水平輸出級(jí)和S校正電路的開(kāi)關(guān)。三極管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和模擬放大狀態(tài)的要求明顯不同,對(duì)開(kāi)關(guān)特性的描述并沒(méi)有用通常的fT和fa來(lái)概括。
在開(kāi)關(guān)電源中,輸出電壓通過(guò)晶體管導(dǎo)通和截止的時(shí)間比(即占空比)來(lái)穩(wěn)定。這里,三極管用作開(kāi)關(guān),三極管的放大作用用于通過(guò)較小的基極電流控制集電極電流。當(dāng)集電極電流飽和時(shí),該開(kāi)關(guān)被認(rèn)為是導(dǎo)通的,而當(dāng)集電極電流截止時(shí),該開(kāi)關(guān)被認(rèn)為是導(dǎo)通的。
但是,三極管的開(kāi)/關(guān)狀態(tài)不理想。它在開(kāi)啟時(shí)具有飽和電壓降VCES,在關(guān)閉時(shí)具有IC≠0,并且具有一定的IEO。與理想開(kāi)關(guān)相比,晶體管作為開(kāi)關(guān)不會(huì)與基極控制電流同時(shí)導(dǎo)通/截止,并且它們之間存在一定的過(guò)程。為了研究晶體管導(dǎo)通/截止的瞬態(tài)過(guò)程,首先指定導(dǎo)通/截止的相對(duì)值,即當(dāng)集電極電流達(dá)到其最大飽和電流的90%時(shí),它被認(rèn)為是導(dǎo)通且集電極電流下降到I。被認(rèn)為是10%的時(shí)間斷開(kāi)連接。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量,并且將晶體管的導(dǎo)通/截止過(guò)程所需的時(shí)間用作比較標(biāo)準(zhǔn),以測(cè)量晶體管的開(kāi)關(guān)特性。
對(duì)于晶體管在導(dǎo)通狀態(tài)和線性放大狀態(tài)下的工作有完全不同的要求。放大狀態(tài)要求三極管的Ic應(yīng)該完全由IB控制,并且兩者具有穩(wěn)定的線性關(guān)系,包括放大的模擬波形和輸入波形具有完全相同的包絡(luò)。開(kāi)關(guān)狀態(tài)要求三極管的基極電流達(dá)到Icm / hfe,三極管的集電極電流立即上升到Icm,并且不應(yīng)有過(guò)渡過(guò)程。但是實(shí)際上這是不可能的,因?yàn)槿龢O管利用其放大特性在開(kāi)-關(guān)狀態(tài)下工作。
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(wú)窮大),那么,Ir控制Ic由零增長(zhǎng)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。
另外,雙極晶體管的基本放大原理需要一定的時(shí)間來(lái)切換。晶體管處于放大狀態(tài),并且通常在公共基極放大狀態(tài)下使用最高截止頻率(fT)和最高頻率(fa)來(lái)表示晶體管可以工作的頻率范圍。但是,fT和fa不能完全代表晶體管的開(kāi)關(guān)特性。盡管fT和fa越高,晶體管的開(kāi)關(guān)特性越好。但是,某些晶體管的fr和fa相同,但是其開(kāi)關(guān)特性不同。因此,三極管的開(kāi)關(guān)特性通常用開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間ton和截止時(shí)間toff表示。
導(dǎo)通時(shí)間是指在添加基本驅(qū)動(dòng)脈沖后,集電極電流從零達(dá)到飽和值的90%所需的時(shí)間。為了消除驅(qū)動(dòng)電流的影響,假定加在基極和發(fā)射極之間的控制電流是理想的矩形波。當(dāng)基極電流以垂直于X軸的特性上升時(shí),集電極電流Ic不會(huì)隨之增加,而是具有延遲時(shí)間t。在此期間,lc顯示出緩慢的曲線,升至Icm的10%。延遲時(shí)間的原因是,當(dāng)三極管處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí),基極區(qū)中基本上沒(méi)有自由電子。當(dāng)控制電壓突然升高時(shí),如果發(fā)射結(jié)要達(dá)到VB≥+ 0.6V,則輸入電流必須連續(xù)對(duì)發(fā)射結(jié)電容充電。為了減小PN結(jié)的內(nèi)部電場(chǎng),然后將電子發(fā)射到基極區(qū),需要一定的時(shí)間(ta)。 ta與發(fā)射結(jié)電容成正比,與發(fā)射結(jié)面積成反比。開(kāi)關(guān)管的功率越大,發(fā)射極結(jié)的面積不可避免地越大,減小t越困難。
導(dǎo)通時(shí)間和截止時(shí)間構(gòu)成開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通損耗和截止損耗。因?yàn)樵诖似陂g,三極管處于放大區(qū)域,其管壓降將不可避免地增加,并且功耗也會(huì)相應(yīng)增加。根據(jù)相同的原理,二極管也具有導(dǎo)通/截止時(shí)間,但是在開(kāi)關(guān)電源中,最有影響的是二極管的反向恢復(fù)時(shí)間。當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí),施加的脈沖下降為零,二極管不會(huì)立即關(guān)閉,并且需要一定的時(shí)間才能再次將其關(guān)閉(與上述相同的原因)。當(dāng)工作頻率增加時(shí),二極管無(wú)法在正向脈沖后及時(shí)恢復(fù),并且其單向?qū)щ娦允闺娐诽幱诙搪窢顟B(tài)。二極管的恢復(fù)時(shí)間除了取決于PN結(jié)和N電容外,還與工藝結(jié)構(gòu)有關(guān)。因此,存在普通的工頻整流二極管,快速恢復(fù)二極管和肖特基二極管。