深度解析开关电源双极性晶体管的开关特性

在开关电源中，是通过三极管开与关的时间比（即占空比）稳定输出电压的。在这里，三极管被当作开关使用，利用三极管的放大作用，通过极小的基极电流控制集电极电流。当集电极电流饱和时，认为开关已接通，而集电极电流截止时，则认为开关已断开。

但是，三极管的开/关并非处于理想状态，导通时尚有其饱和压降VCES，断开时其ICne0，而具有一定的ICEO。与理想开关相比，晶体管作为开关并非完全随基极控制电流同时进行开/关，其中存在一定的过程。

为了研究三极管开/关此瞬间过程，首先对开/关的相对值作一规定，即当集电极电流达到其最大饱和电流90%时，认定它已接通，而集电极电流下降为I。的10％时，认为它已经断开。按此标准计量，三极管开/关过程所需时间作为衡量三极管的开关特性的比较标准。

晶体管工作在开关状态和工作在线性放大状态有完全不同的要求。放大状态要求三极管的Ic应该完全受控于IB，且两者有稳定的线性关系，包括放大后的模拟波形和输入波形有完全相同的包络线。开关状态则要求三极管的基极电流达到Icm/hfe，其集电极电流立即上升到Icm，不应有过渡过程。但实际上这是不可能的，因为三极管是利用其放大特性工作于开关状态的。

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。

除此而外，双极性晶体管基本放大原理也使开关动作需一定的时间。晶体管处于放大状态，常用最高截止频率(fT)和共基极放大状态最高频率(fa)表示晶体管可工作的频率范围。但是，fT、fa并不能确切的表示晶体管的开关特性，虽然fT、fa越高，三极管的开关特性也越好，但有的晶体管fr、fa相同，其开关特性却不尽相同。因此，三极管的开关特性常用开关的导通时间ton和关断时间toff来表示。

导通时间是指，当基极驱动脉冲加入后，集电极电流由零达到饱和值90%所占用的时间。为了排除驱动电流的影响，假设加到基极一发射极之间的控制电流为理想的矩形波，见下图所示。在基极电流以垂直于X轴的特性上升时，集电极电流Ic并不随之升高，而是有一延迟时间t。，在此时间内lc呈缓慢曲线上升到Icm的10%。产生延迟时间的原因是：三极管在截止状态时，基区基本无自由电子，当控制电压突然升高时，欲使发射结达到VB+0.6V，输入电流必须不断地给发射结电容充电，以降低PN结的内部电场，然后再向基区发射电子，因而需经过一段时间(ta)。ta正比于发射结电容，反比于发射结的面积。开关管功率越大，必然发射结面积相应增大，欲要减小t，就越加困难。

发射结的充电速度，不仅与输入驱动脉冲的内阻有关，而且与三极管的截止有关。如果三极管处于深度截止（即反向偏置过大），ta也越慢。当Ic达到10%的Icm时，在驱动脉冲的作用下，Ic随IB呈线性增长。其增长速度即从Ic由10%到90%曲线的斜率等于该管的hfe。

前面已提到，此段曲线不可能是垂直线，因而形成上升时间tr。很明显，三极管的hfe越大，Tr越短。经过延迟时间与上升时间之后，三极管Ic=90%的Icm才认为其已经导通，开关闭合，因此导通时间为ta+tr。当驱动脉冲回落至零时，开关的关断同样需要一定的时间。

当开关管饱和时，基区必然积累较多的电荷，集电结形成空穴积累，饱和过程中必然出现IBIC/hFE,这是使三极管进入饱和区的可靠保证。但如果IB远大于IC/hFE，即处于过饱和状态（或称深度饱和状态），基区存储电荷越多，集电结空穴积累越严重，当驱动脉冲截止时，存储电荷的消散时间也越长，因而在驱动脉冲截止后，将Ic由90%降低为10%的时间称为存储时间ts。从三极管结构来说，基区和集电区越薄，存储电荷量就越小，tr也就越小。经过ts之后，三极管随存储时间基区正偏逐渐消失，Ic随之下降，形成下降时间tf。

存储时间ta+tf，即构成开关管关断时间。导通时间与关断时间首先取决于三极管的结构和工艺，其次才是设计合理的开关驱动电路。

导通时间和截止时间构成开关管的导通损耗和截止损耗。因为在此时间内，三极管处于放大区，其管压降必然增大，功耗随之增加。与此相同的原理，二极管也有导通／截止时间，不过，在开关电源中，影响最大的是二极管的反向恢复时间。当二极管导通后，外加脉冲降为零，二极管并不会立即截止，恢复到截止需一定时间（与上述相同的原因）。当工作频率升高时，正向脉冲过后二极管不能及时恢复，其单向导电性则使电路处于短路状态。二极管的恢复时间除取决于PN结、N电容以外，还与工艺结构有关，因此有普通工频整流二极管、快恢复二极管、肖特基二极管之分。

普通工频整流二极管正向压降范围为1～2V，随耐压升高有不同程度的增大。目前其最高反压可作到5kV以上，最大整流电流达到kA以上。所谓工频，不单指频率，还指其波形是正弦波，其反向恢复时间比较慢，因此，此类二极管不适直用在方波逆变器中作整流和阻尼。在开关电源中，也只能用于交流电源整流。

快恢复二极管，指反向恢复时间在50～200ns范围内，可用于100kHz。以下的开关脉冲的整流、箝位及开关管的阻尼电路等。快恢复二极管的参数与生产工艺有关，反向恢复时间最快的属外延法生产的二极管．一般手册中所列最高反压为其击穿电压的80%，选用时需注意留有适当的余量。

肖特基二极管SBD为多数载流子单向导电器件，其开关时间极短，一般为50～100ns。其最大特点是：

正向压降理论上为0.3～0.5V，额定电流不超出0.6～0.8V，比PN结二极管的最大正向压降1～1.2V低近一倍，因此作低压大电流脉冲整流十分有利。但肖特基二极管反向电压较低，大多为40V以下，只有极少数产品能达到100V。一股用于低压输出开关电源中和大电流低电压的脉冲整流电路中。