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一：三極管的結(jié)構(gòu)及類型 通過工藝的方法,把兩個(gè)二極管背靠背的連接起來級組成了三極管。按PN 結(jié)的組合方式有PNP 型和NPN型,，它們的結(jié)構(gòu)示意圖和符號圖分別為：如圖（1）,、（2）所示。 不管是什麼樣的三極管,，它們均包含三個(gè)區(qū)：發(fā)射區(qū),，基區(qū)，集電區(qū),，相應(yīng)的引出三個(gè)電極：發(fā)射極,，基極，集電極,。同時(shí)又在兩兩交界區(qū)形成 PN 結(jié),，分別是發(fā)射結(jié)和基點(diǎn)結(jié)。且制作時(shí)都是發(fā)射區(qū)中摻雜,、基區(qū)很薄,、集電結(jié)的面積很大。 二：三極管的特性 1,、 輸入特性 圖 4 是三極管的輸入特性曲線,，函數(shù)表達(dá)式： 它表示 Ib 隨 Ube 的變化關(guān)系，其特點(diǎn)是： 1）當(dāng) Uce 在 0-2 伏范圍內(nèi),，曲線位置和形狀與 Uce 有關(guān),，但當(dāng) Uce 高于 2 伏后,，曲線與 Uce 基本無關(guān)，通常輸入特性由兩條曲線（∪ce=0V 和∪ce=2V）表示即可,。 2）當(dāng) Ube＜UbeR 時(shí),，Ib≈O 稱（0～UbeR)的區(qū)段為“死區(qū)”當(dāng) Ube＞UbeR 時(shí)，Ib 隨 Ube 增加而增加,，放大時(shí),，三極管工作在較直線的區(qū)段。 2,、輸出特性 圖 5 是三極管的的輸出特性曲線,，函數(shù)表達(dá)式： 它表示 Ic 隨 Uce 的變化曲線，輸出特性可分為三個(gè)區(qū)： 1)截止區(qū)：I <=0> 2)飽和區(qū)：此時(shí)兩個(gè)結(jié)均處于正向偏置,，U =0.3V 3)放大區(qū):此時(shí) I =?I ,，I 基本不隨 U 變化而變化，此時(shí)發(fā)射結(jié)正偏,，集電結(jié)反偏,。 主要是放大區(qū)較為復(fù)雜，以 NPN 三極管作簡單描述如圖 3,，因?yàn)榘l(fā)射結(jié)正向偏置,，且發(fā)射區(qū)進(jìn)行重?fù)?/p> 雜，所以發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子擴(kuò)散注入至基區(qū),，形成的電流為發(fā)射極電流 Ie,又由于集電結(jié)的反向作用,，而注入至基區(qū)的載流子（電子）與基區(qū)的載流子（空穴）形成濃度差,，因此這些載流子從基區(qū)擴(kuò)散至集電結(jié),，被電場拉至集電區(qū)形成集電極電流 Ic, 因?yàn)榛鶇^(qū)做的很薄，所以留在基區(qū)的發(fā)射區(qū)載流子很少,，留下的載流子（電子）與基區(qū)載流子（空穴）復(fù)合,，被復(fù)合掉的基區(qū)空穴由基極電源 Eb 重新補(bǔ)紀(jì)念給，從而形成了基極電流 Ib,，根據(jù)電流連續(xù)性原理便有： Ie=Ib+Ic,，即在基極補(bǔ)充一個(gè)很小的 Ib，就可以在集電極上得到一個(gè)較大的 Ic,，這就是三極管電流放大作用,，Ic 與 Ib 是維持一定的比例關(guān)系，即： a=△Ic/△Ib,。在開關(guān)電源里面三極管都用作開關(guān)作用,， 截止區(qū)和飽和區(qū)是三極管工作在開關(guān)狀態(tài)的區(qū)域，三極管飽和導(dǎo)通時(shí),，工作點(diǎn)落在飽和區(qū),，三極管截止時(shí),，工作點(diǎn)落在截止區(qū)。 三,，三極管的主要參數(shù) 1,、直流參數(shù) 1）集電極－基極反向飽和電流 Icbo：發(fā)射極開路（Ie=0)時(shí)，基極和集電極之間加上規(guī)定的反向電壓 Vcb 時(shí)的集電極反向電流,，它只與溫度有關(guān),，在一定溫度下是個(gè)常數(shù)，所以稱為集電極一基極的反向飽和電流,。良好的三極管,，Icbo 很小，小功率鍺管的 Icbo 約為 1～10 微安,，大功率鍺管的 Icbo 可達(dá)數(shù)毫安,，而硅管的 Icbo 則非常小，是毫微安級,。 2）集電極－發(fā)射極反向電流 Iceo(穿透電流）：基極開路（Ib=0）時(shí),，發(fā)射極和集電極之間加上規(guī)定 反向電壓 Vce 時(shí)的集電極電流。Iceo 大約是 Icbo 的 β 倍即 Iceo=(1+β)Icbo,，Icbo 和 Iceo 受溫度影響 極大,，它們是衡量管子熱穩(wěn)定性的重要參數(shù)，其值越小,，性能越穩(wěn)定,，小功率鍺管的 Iceo 比硅管大。 3）發(fā)射極－基極反向電流 Iebo： 集電極開路時(shí),，在基極與發(fā)射極之間加上規(guī)定的反向電壓時(shí)發(fā)射極 的電流,，它實(shí)際上是發(fā)射結(jié)的反向飽和電流。 4）直流電流放大系數(shù) β1（或 hEF）：這是指共發(fā)射接法,，沒有交流信號輸入時(shí),，集電極輸出的直流 電流與基極輸入的直流電流的比值，即： β1=Ic/Ib 2,、交流參數(shù) 1）交流電流放大系數(shù) β（或 hfe）： 這是指共發(fā)射極接法,，集電極輸出電流的變化量△Ic 與基極輸 入電流的變化量△Ib 之比，即： β= △Ic/△Ib 一般晶體管的 β 大約在 10-200 之間,，如果 β 太小,，電 流放大作用差，如果 β 太大,，電流放大作用雖然大,，但性能往往不穩(wěn)定。 2）共基極交流放大系數(shù) α（或 hfb） ：這是指共基接法時(shí)，集電極輸出電流的變化是△Ic 與發(fā)射極 電流的變化量△Ie 之比,，即： α=△Ic/△Ie 因?yàn)椤鱅c＜△Ie,，故 α＜1。高頻三極管的 α＞0.90 就可 以使用 α 與 β 之間的關(guān)系： α= β/（1+β） β= α/（1-a）≈1/（1-a） 3）截止頻率 fβ,、fα： 當(dāng) β 下降到低頻時(shí) 0.707 倍的頻率,，就是共發(fā)射極的截止頻率 fβ；當(dāng) α 下 降到低頻時(shí)的 0.707 倍的頻率,，就是共基極的截止頻率 fα,，fβ、fα 是表明管子頻率特性的重要參數(shù),， 它們之間的關(guān)系為： fβ≈（1-α）fα 4）特征頻率 fT：因?yàn)轭l率 f 上升時(shí),，β 就下降，當(dāng) β 下降到 1 時(shí),，對應(yīng)的 fT 是全面地反映晶體管 的高頻放大性能的重要參數(shù),。 3、極限參數(shù) 1）集電極最大允許電流 ICM：當(dāng)集電極電流 Ic 增加到某一數(shù)值,，引起 β 值下降到額定值的 2/3 或 1/2,， 這時(shí)的 Ic 值稱為 ICM。所以當(dāng) Ic 超過 ICM 時(shí),，雖然不致使管子損壞,，但 β 值顯著下降，影響放大質(zhì)量,。 2）集電極－基極擊穿電壓 BVCBO：當(dāng)發(fā)射極開路時(shí),，集電結(jié)的反向擊穿電壓稱為 BVEBO。 3）發(fā)射極－基極反向擊穿電壓 BVEBO：當(dāng)集電極開路時(shí),，發(fā)射結(jié)的反向擊穿電壓稱為 BVEBO,。 4）集電極－發(fā)射極擊穿電壓 BVCEO：當(dāng)基極開路時(shí)，加在集電極和發(fā)射極之間的最大允許電壓,，使用時(shí)如果 Vce＞BVceo,，管子就會被擊穿,。 5）集電極最大允許耗散功率 PCM：集電極流過 Ic,，溫度要升高，管子因受熱而引起參數(shù)的變化不超過允許值時(shí)的最大集電極耗散功率稱為 PCM,。管子實(shí)際的耗散功率于集電極直流電壓和電流的乘積,，即Pc=Uce×Ic.使用時(shí)應(yīng)使 Pc＜PCM。 PCM 與散熱條件有關(guān),，增加散熱片可提高 PCM,。 在一般的開關(guān)電源中, 有幾個(gè)參數(shù)是我們要關(guān)心的， 1：集電極－發(fā)射極穿透電流 Iceo, 2:集電極最大允許電流ICM,， 3：集電極－基極擊穿電壓 BVCBO,， 4：集電極－發(fā)射極擊穿電壓 BVCEO,， 5：集電極最大允許耗散功率 PCM。 對于基極驅(qū)動,，需要關(guān)心的是 1,、2、4,、5 點(diǎn),，對于射極驅(qū)動，則五點(diǎn)都需要關(guān)心,，但由于一般作開關(guān)管的高壓三極管 BVCBO 都比 BVCEO 高兩百伏左右,，因此有獨(dú)到的優(yōu)勢，下面將會作介紹,。 4,、參數(shù)與溫度的關(guān)系 由于半導(dǎo)體的載流子受溫度影響，因此三極管的參數(shù)受溫度影響,，溫度上升,，輸入特性曲線向左移， 基極的電流不變,，基極與發(fā)射極之間的電壓降低,。輸出特性曲線上移。溫度升高,，放大系數(shù)也增加,，性能也更不穩(wěn)定。 四,，開關(guān)三極管主要失效分析： 1,、先介紹下耗散功率，三極管工作時(shí),，由于電流熱效應(yīng),，會消耗一定的功率，這就是耗散功率,。耗散功率主要由集電極耗散功率組成：PT≈VceIc 即 PT≈PCM,，下面分析開關(guān)三極管失效的幾種情況： 1） 由于三極管的工作電流受溫度的影響很大，因此當(dāng)三極管工作時(shí),，耗散功率轉(zhuǎn)化為熱,，使集電結(jié)結(jié)溫升高，集電結(jié)結(jié)電流進(jìn)一步加大,，會造成惡性循環(huán)使三極管燒毀,。這種情況叫熱擊穿。使三極管不發(fā)生熱擊穿的最高工作溫度定義為最高結(jié)溫。 2） 當(dāng)三極管未達(dá)到最高結(jié)溫時(shí),，或者未超過最大耗散功率時(shí),，由于材料的缺陷和工藝的不均勻性， 以及結(jié)構(gòu)原因造成的發(fā)射區(qū)電流加緊效應(yīng),，使得三極管的工作電流分布不均勻,。當(dāng)電流分布集中 在某一點(diǎn)時(shí)，該點(diǎn)的功耗增加,，引起局部溫度增高,，溫度的增高反過來又使得該處的電流進(jìn)一步 大，從而形成“過熱點(diǎn)”,，其溫度若超過金屬電極與半導(dǎo)體的共熔點(diǎn),，造成三極管燒毀。另一 方面,，局部的溫升和大電流密度會引起局部的雪崩（擊穿）,，此時(shí)的局部大電流能使三極管燒通， 使擊穿電壓急劇降低,，電流上升,，最后導(dǎo)致三極管燒毀。這種情況就是所謂的二次擊穿,。三極管 二次擊穿的特性曲線如圖 6 所示,。二次擊穿是功率開關(guān)管失效的重要原因。為保證三極管正常工 作,，提出了安全工作區(qū) SOA 的概念,。SOA 示意圖如圖 7 所示，它由集電極最大電流 Icm 線,、擊穿電 壓 BVceo 線,、集電極最大耗散功率 Pcm 線和二次擊穿功耗 Psb 線組成。 因此,，由于使用時(shí)工作電流和最大電壓的設(shè)計(jì)都不會超過三極管的額定值,，因此，正常情況下,，集電 極耗散功率和二次擊穿特性就是造成三極管失效燒毀的主要因素,。 2、既然分析了開關(guān)三極管的失效主要因素,，那么下面再討論一下怎么減少失效,。很明顯降低三極管的失效重要的是要盡量降低三極管工作時(shí)的功率、改善二次擊穿特性,，這兩者其實(shí)是相關(guān)的。由二次擊穿的發(fā)生機(jī)理可知，溫度上升,，導(dǎo)致三極管 HFE 增大,，開關(guān)性能變差，二次擊穿特性變差（更容易發(fā)生二次擊穿）,；溫度的升高,，也使得三極管的實(shí)際耗散功率參數(shù)變差，三極管的安全工作區(qū)變小了,。反過來,，由于三極管的耗散功率主要和三極管的熱阻有關(guān)，耗散功率小,，實(shí)際上也就是其所能承受的電流電壓低,，散熱性能差，同樣也影響到了二次擊穿特性,。因此,，防止工作時(shí)三極管溫升過高、提高三極管的耗散功率,，是提高三極管質(zhì)量的最有效辦法,。 1）熱阻 三極管工作中，當(dāng) PN 結(jié)溫度超過允許最高結(jié)溫時(shí),，三極管消耗的功率就是三極管的集電極最大耗散 功率,。由于一定材料的最高結(jié)溫是一定的，因此,，提高三極管的散熱性能,，就是提高三極管的耗散功率，同時(shí),，散熱性能好,，管子的溫升就低，也降低了二次擊穿的可能性,，這是提高二次擊穿特性的重要因素,。熱阻作為大功率管的一個(gè)重要參數(shù)，代表了三極管的散熱能力,。熱阻與耗散功率的關(guān)系為： Pcm=(Tjm－Ta)/RT其中 Tjm 為最高結(jié)溫,，Ta 為環(huán)境溫度，RT 為熱阻,?？梢姡?dāng)最高結(jié)溫和環(huán)境溫度一定時(shí),，耗散功率的大小取決于熱阻的大小,。 在開關(guān)電源中作開關(guān)的三極管,，應(yīng)選用熱阻盡可能低的管子。除了三極管芯片本身之外,，后工序裝配 的材料,、工藝和質(zhì)量對熱阻的影響也非常大。 2）開關(guān)參數(shù) 三極管工作于飽和和截止?fàn)顟B(tài),，因此三極管的開關(guān)參數(shù)對其工作情況有重大的影響,。三極管的開關(guān)參 數(shù)有 4 個(gè)：延遲時(shí)間 td、上升時(shí)間 tr,、儲存時(shí)間 ts 和下降時(shí)間 tf,。如圖 8 所示的三極管開關(guān)波形圖，管子由截止到飽和時(shí),，過渡時(shí)間受延遲時(shí)間和上升時(shí)間的影響,，由飽和到截止時(shí)，過渡時(shí)間受存儲時(shí)間和下降時(shí)間的影響,。三極管在不同工作狀態(tài)時(shí)消耗的功率為： 截止時(shí)：P=Vce·Iceo 由于三極管的反向漏電流 Iceo 和飽和壓降 Vces 都很低,，因此，飽和和截止時(shí),，三極管的消耗功率并不大,，但在兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程中，三極管有一部分時(shí)間工作于放大區(qū),，此時(shí)的電流電壓均較大,，處于放大區(qū)的時(shí)間越長，從而消耗功率也越大,，溫度也就升高越多,。 由波形圖可看出，影響三極管處于放大區(qū)的開關(guān)參數(shù)主要是上升時(shí)間和下降時(shí)間,。因此,，應(yīng)選用上升時(shí)間和下降時(shí)間盡可能短的三極管。 3）高溫漏電流 在上面的說明中,，我們知道三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)時(shí)的功耗主要由反向漏電流 Iceo 決定,。常溫下， Iceo 一般很小,，因此,，三極管的截止功率并不大，但當(dāng)工作后溫度升高后,，Iceo 變大,，則其消耗功率也變大，直至影響到正常的工作,。另一方面,，反向漏電流的增大使得 PN 結(jié)擊穿特性變軟,，也使三極管變得易于燒毀。因此,，高溫漏電流也是影響管子質(zhì)量的重要參數(shù),。 硅三極管的 ce 反向漏電為：Iceo=（1＋β）Icbo≈（1＋β）Ae×Ni×XMG/2? 其隨溫度的變化主要與材料和工藝有關(guān),。 4)其它 功率開關(guān)三極管的其他參數(shù),，也與其使用有關(guān)。hFE 也是經(jīng)?？紤]的因素之一,。其對管子質(zhì)量的影響，也體現(xiàn)在對開關(guān)時(shí)間的影響,，其重要性相對沒有開關(guān)參數(shù)影響那么大,。除此之外，ICM 和 BVCEO 也是常?？紤]的因素,。 五，三極管射極驅(qū)動與基極驅(qū)動對三極管的要求比較：
1,、 如圖 9 為基極驅(qū)動基本架構(gòu)圖,選取三極管時(shí)一般我們會先考慮 ICM 和 BVCEO,，選用的參數(shù)肯定要在符合設(shè)計(jì)要求內(nèi)，例如做全電壓輸出 10W 輸出的小功率電源,，則一般選取 ICM＝1.5A,，BVCEO＝600V的三極管，而此參數(shù)的耐壓要求對三極管的成本較高,，另外 Iceo 只能選取盡量小的管子,，PCM 可選熱阻盡量小，外加散熱片進(jìn)行改善,。 2,、 圖 10 為射極驅(qū)動基本架構(gòu)圖，分析下射極驅(qū)動的特性： 1) 先分析下 CE 極由于高壓擊穿的過程（注意此時(shí)高壓擊穿都是指的開關(guān)管截止時(shí)的擊穿）,，如圖 6 中的基極驅(qū)動電路,，首先集電極的高壓首先在 CB 結(jié)上形成電場，如果這個(gè)電壓過高,，那么 B 基電 壓會被拉高,，一旦 B 基電壓拉高，由于三極管的放大能力,，擊穿就發(fā)生了,。但是如果用 MOS 在發(fā)射 極控制，那么當(dāng) B 基被拉高的時(shí)候,，發(fā)射極會跟隨著 B 基升高（因?yàn)闆]有電流通路）,，電流不再放 大,，擊穿就不會出現(xiàn)；只有集電極電壓繼續(xù)升高,，直接導(dǎo)致 CB 結(jié)擊穿,，才會出現(xiàn)。因此在射極驅(qū) 動電路中,，實(shí)際上承受高壓的是三極管,，當(dāng) IC 內(nèi)部 MOS 關(guān)斷時(shí)，相當(dāng)于把三極管的 E 極懸空,，承 受高壓的是三極管的 CB 極,，所以我們選取時(shí)便可選取參數(shù)是 ICM 為 1.5A，BVCEO＝400V,，BVCBO＝600VD的三極管,。而由于三極管的電流放大能力三極管CE間的擊穿電壓低于CB間的擊穿電壓，一 般三極管如13003的Vcbo=600V．Vceo=400V,，正好符合我們的設(shè)計(jì)要求．因此可以選取常用的便宜 三極管作為開關(guān)管使用. 2)另外．在射極驅(qū)動電路中,，Iceo由于射極開路基本不存在,因此比基極驅(qū)動要安全的多． 3)再分析一下三極管導(dǎo)通吋的安全性，在基極驅(qū)動電路中由于選用BVCEOW為600V的管予,，因此即使在全電壓輸入情況下．在高端進(jìn)入CCM工作狀態(tài),，只要Vin+Vo*Ni／No加上變壓器的漏感產(chǎn)生 的尖峰電壓小于600伏．都是安全的；而在射極驅(qū)動屯路中．選用BVC印為400V的管予,，在高 端輸入進(jìn)入CCM時(shí)只要Vin+Vo*Ni／No加上變壓器的漏感產(chǎn)生 的尖峰電壓小于400伏也是安全的,。但實(shí)際上，這種定頻脈寬調(diào)制工 作模式的要想把一個(gè)全電壓輸入的開關(guān)電源在全電壓都進(jìn)入CCM幾乎是不可能的,，一般都只有在 低端進(jìn)入CCM高端進(jìn)入DCM,。利用這個(gè)規(guī)律射極驅(qū)動在低端CCM，Vin+Vo*Ni／No加上變壓器的漏感產(chǎn)生 的尖峰電壓小于400伏,，高 端進(jìn)入DCM作模式開關(guān)管導(dǎo)通前電壓為Vin<400v．閃此選普通高壓三極管射極驅(qū)動很安全,。> 六.三極管射極驅(qū)動與基極驅(qū)動開關(guān)速度比較：
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