三極管開關電路中各元器件作用解析

可以說在電源電子電路研發中，針對于三極管在開關電路中作為功率管的控制的應用是非常廣泛的。本文中對一個實用開關電路中的各元器件作用作具體分析。下圖是一個小功率三極管控制大功率三極管(達林頓管)開關電路。控制信號通過控制小功率三極管的開關來控制大功率管Q1的開關。三極管開關電路的基本原理就是控制三極管工作在截止區和飽和區工作。電路設計原則等不作贅述，一般的三極管電路參考書籍有介紹。在這里也只討論圖中這些阻容元器件的作用，不討論其取值計算(因為取值計算需要選定三極管，而且頗為簡單)。

這里我們可以看到在上圖中R1作用是Q2的基極限流；R3作用是泄放掉關斷狀態時基極電荷，讓Q2在低電平時保持截止狀態；R4作用是Q2的集電極限流以及Q1的基極限流；電容C2是加速電容，加速Q2的開關速度，降低Q2管耗，從而延長Q2壽命；R5和C1是作為輸出反饋給Q2的基極，作用同樣為加速Q2的開關速度，延長Q2的壽命以及電路整體的性能，此為正反饋。

經過上文的電路圖分析后，這里我們會主要解釋下關于C2的作用，其余的元器件作用，相信有一定三極管電路基礎的都能理解。讓我們來看看C2是如何“加速”的：先來看看電路在沒有C2的情況下是如何工作的：控制端由低電平拉升到高電平的過程中，集電極電流增長使得三極管從截止區—》放大區—》飽和區變化，從而使三極管從關斷狀態(截止)變為開通狀態(飽和)，注意，開通過程中，集電極電流增長全部靠Vcc提供;反過來，控制端從高電平變為低電平過程中，通過R3對基極電荷的泄放，加速控制三極管從飽和區—》放大區—》截止區變化，并最終變為關斷狀態。后面再來看看加上C2后的電路工作情況。來看由Vcc、R4、C2、R3、GND構成的回路：當電路沒有控制激勵的情況下(Control端低電平)，Vcc給電容C2充電，C2和R4連接端的電位為Vcc；當控制激勵從低電平向高電平轉換的過程中，由于基極端電位上升，導致C2向三極管集電極放電，這樣，集電極電流增長中，一小部分靠C2提供，其余靠Vcc提供，加速了三極管從截止到飽和變化的過程，此時C2兩端的電壓反轉，大小約為0.7(VBE)-0.3(VCEsat)V；反過來，控制端從高電平變為低電平過程中，由于基極電壓的下降以及集電極電壓的上升，集電極對C2充電，從而導致三極管集電極與發射級間的電流更快速的下降，配合R3的作用，更快速的使三極管進入截止狀態。所以，C2在這里確實起到了加速開關的作用。

經過以上的分析，我們在確認了以上電路能夠更快速的使三極管進入截止狀態后，問題又出來了，這個電路實際應用到產品上所需要的頻率僅僅是幾百赫茲，對于毫秒級的應用，出來的開關波形根本不會有延時，按道理無需另加加速電容，這是怎么回事？這里加速電容的作用并不是改善頻率特性而加的，而是為了改善三極管的功耗；眾所周知，三極管在截止區和飽和區功耗最小，而在放大區功耗最大，原因是截止區VCE大、ICE極小，飽和區ICE大、VCE很小(等于飽和導通電壓VCEsat)，而放大區是大電壓大電流；加速開通和關斷時間就是為了讓開關三極管快速穿越大功耗區(線性放大區)而進入到小功耗區(截止區和飽和區)，從而降低功耗來降低三極管的溫度，延長三極管的壽命。而本電路恰恰應用在開關電路持續開關工作的情況。類似地，R5/C1正反饋的作用同樣也是加速Q2的開關，來降低管耗，延長壽命。

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