分析三极管开关电路的实用性

　　半导体三极管又称“晶体三极管”或“晶体管”。在半导体锗或硅的单晶上制备两个能相互影响的PN结，组成一个PNP（或NPN）结构。中间的N区（或N区）叫基区，两边的区域叫发射区和集电区，这三部分各有一条电极引线，分别叫基极B、发射极E和集电极C，是能起放大、振荡或开关等作用的半导体电子器件。三极管开关电路作为功率管的控制应用广泛。这里对一个实用开关电路中的各元器件作用作具体分析。

　　在高频开关电路中，开关三极管应用非常广泛。无论是什么开关电路，都离不开开关三极管。了解三极管开关电路原理是非常必要的技术。

　　三极管开关控制电路：

　　上图是一个小功率三极管控制大功率三极管（达林顿管）开关电路。

　　控制信号通过控制小功率三极管的开关来控制大功率管Q1的开关。

　　原理分析

　　晶体三极管（以下简称三极管）按材料分有两种：锗管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用多的是硅NPN和锗PNP两种三极管，（其中，N表示在高纯度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在电压刺激下产生自由电子导电，而p是加入硼取代硅，产生大量空穴利于导电）。两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。 对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结，而集电区与基区形成的PN结称为集电结，三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极c。

　　图中R1作用是Q2的基极限流；R3作用是泄放掉关断状态时基极电荷，让Q2在低电平时保持截止状态；R4作用是Q2的集电极限流以及Q1的基极限流；电容C2是加速电容，加速Q2的开关速度，降低Q2管耗，从而延长Q2寿命；R5和C1是作为输出反馈给Q2的基极，作用同样为加速Q2的开关速度，延长Q2的寿命以及电路整体的性能，此为正反馈。

　　让我们来看看C2是如何“加速”的

　　先来看看电路在没有C2的情况下是如何工作的：控制端由低电平拉升到高电平的过程中，集电极电流增长使得三极管从截止区—》放大区—》饱和区变化，从而使三极管从关断状态（截止）变为开通状态（饱和），注意，开通过程中，集电极电流增长全部靠Vcc提供；反过来，控制端从高电平变为低电平过程中，通过R3对基极电荷的泄放，加速控制三极管从饱和区—》放大区—》截止区变化，并终变为关断状态。

　　再来看看加上C2后的电路工作情况。来看由Vcc、R4、C2、R3、GND构成的回路：当电路没有控制激励的情况下（Control端低电平），Vcc给电容C2充电，C2和R4连接端的电位为Vcc；当控制激励从低电平向高电平转换的过程中，由于基极端电位上升，导致C2向三极管集电极放电，这样，集电极电流增长中，一小部分靠C2提供，其余靠Vcc提供，加速了三极管从截止到饱和变化的过程，此时C2两端的电压反转，大小约为0.7（VBE）-0.3（VCEsat）V；反过来，控制端从高电平变为低电平过程中，由于基极电压的下降以及集电极电压的上升，集电极对C2充电，从而导致三极管集电极与发射级间的电流更快速的下降，配合R3的作用，更快速的使三极管进入截止状态。

　　但问题又出来了，这个电路实际应用到我产品上所需要的频率仅仅是几百赫兹，对于毫秒级的应用，出来的开关波形根本不会有延时，按道理无需另加加速电容，这是怎么回事？这里要感谢IR公司的白师兄给我的释疑：这里加速电容的作用并不是改善频率特性而加的，而是为了改善三极管的功耗；众所周知，三极管在截止区和饱和区功耗，而在放大区功耗，原因是截止区VCE大、ICE极小，饱和区ICE大、VCE很小（等于饱和导通电压VCEsat），而放大区是大电压大电流；加速开通和关断时间就是为了让开关三极管快速穿越大功耗区（线性放大区）而进入到小功耗区（截止区和饱和区），从而降低功耗来降低三极管的温度，延长三极管的寿命。

　　类似地，R5/C1正反馈的作用同样也是加速Q2的开关，来降低管耗，延长寿命。