你知道常见的开关电源双极性晶体管的特性有哪些吗?
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所谓的双极型是指具有两个PN结的普通开关三极管。在“彩色显示”中,通常用作开关电源,水平输出级和S校正电路的开关。三极管的开关状态和模拟放大状态的要求明显不同,对开关特性的描述并没有用通常的fT和fa来概括。
在开关电源中,输出电压通过晶体管导通和截止的时间比(即占空比)来稳定。这里,三极管用作开关,三极管的放大作用用于通过较小的基极电流控制集电极电流。当集电极电流饱和时,该开关被认为是导通的,而当集电极电流截止时,该开关被认为是导通的。
但是,三极管的开/关状态不理想。它在开启时具有饱和电压降VCES,在关闭时具有IC≠0,并且具有一定的IEO。与理想开关相比,晶体管作为开关不会与基极控制电流同时导通/截止,并且它们之间存在一定的过程。为了研究晶体管导通/截止的瞬态过程,首先指定导通/截止的相对值,即当集电极电流达到其最大饱和电流的90%时,它被认为是导通且集电极电流下降到I。被认为是10%的时间断开连接。根据该标准进行测量,并且将晶体管的导通/截止过程所需的时间用作比较标准,以测量晶体管的开关特性。
对于晶体管在导通状态和线性放大状态下的工作有完全不同的要求。放大状态要求三极管的Ic应该完全由IB控制,并且两者具有稳定的线性关系,包括放大的模拟波形和输入波形具有完全相同的包络。开关状态要求三极管的基极电流达到Icm / hfe,三极管的集电极电流立即上升到Icm,并且不应有过渡过程。但是实际上这是不可能的,因为三极管利用其放大特性在开-关状态下工作。
任何三极管其IC-IB特性均为与x轴有一夹角的斜线,该斜线的斜率(即夹角)永远不会垂直于X轴(即hfe不会无穷大),那么,Ir控制Ic由零增长到Icm也必然要符合斜线的规律才能达到,因而通/断都需一定的时间。
另外,双极晶体管的基本放大原理需要一定的时间来切换。晶体管处于放大状态,并且通常在公共基极放大状态下使用最高截止频率(fT)和最高频率(fa)来表示晶体管可以工作的频率范围。但是,fT和fa不能完全代表晶体管的开关特性。尽管fT和fa越高,晶体管的开关特性越好。但是,某些晶体管的fr和fa相同,但是其开关特性不同。因此,三极管的开关特性通常用开关的导通时间ton和截止时间toff表示。
导通时间是指在添加基本驱动脉冲后,集电极电流从零达到饱和值的90%所需的时间。为了消除驱动电流的影响,假定加在基极和发射极之间的控制电流是理想的矩形波。当基极电流以垂直于X轴的特性上升时,集电极电流Ic不会随之增加,而是具有延迟时间t。在此期间,lc显示出缓慢的曲线,升至Icm的10%。延迟时间的原因是,当三极管处于截止状态时,基极区中基本上没有自由电子。当控制电压突然升高时,如果发射结要达到VB≥+ 0.6V,则输入电流必须连续对发射结电容充电。为了减小PN结的内部电场,然后将电子发射到基极区,需要一定的时间(ta)。 ta与发射结电容成正比,与发射结面积成反比。开关管的功率越大,发射极结的面积不可避免地越大,减小t越困难。
导通时间和截止时间构成开关管的导通损耗和截止损耗。因为在此期间,三极管处于放大区域,其管压降将不可避免地增加,并且功耗也会相应增加。根据相同的原理,二极管也具有导通/截止时间,但是在开关电源中,最有影响的是二极管的反向恢复时间。当二极管导通时,施加的脉冲下降为零,二极管不会立即关闭,并且需要一定的时间才能再次将其关闭(与上述相同的原因)。当工作频率增加时,二极管无法在正向脉冲后及时恢复,并且其单向导电性使电路处于短路状态。二极管的恢复时间除了取决于PN结和N电容外,还与工艺结构有关。因此,存在普通的工频整流二极管,快速恢复二极管和肖特基二极管。