终极谈三极管的开关功能——抗饱和电路

       gemfield在上一文中费了些笔墨来讨论如何做才能降低三极管在开关时的功耗。我们达成的结果是一致的：那就是尽可能的降低开关信号在上升沿和下降沿所耗费的时间。通俗的讲，就是不论是开还是关，都要干脆些。而gemfield在前面讲述的基极驱动型电路就是一种好的解决思路，不再赘述。本文中将要通过另一种思路来提供解决此问题的一揽子方案，这就是抗饱和电路的由来。这种电路只不过是在原有的开关电路中使用一些伎俩，从而使原本是深度饱和（呼呼大睡）状态的开关管只进入轻度饱和（刚睡着），这样当三极管关的时候，它能轻松或者快速的脱离饱和状态（就像刚睡着的人容易叫醒一样）。 5{4X;iY$ d  

       有一种抗饱和电路叫做baker电路，贝克尔电路，是一种典型的二极管钳位抗饱和电路。 NPb; mnhB  * uI[$  

       其实贝克尔这种电路有一系列的形式，就像变形金刚一样。它这样变那样变但万变不离其宗，那gemfield就和就先认识一下上面这个基本的形式。它究竟是怎样做到抗饱和的呢？当VT1导通时，它的基极电压比输入电压低两个硅二极管的正向压降，约为1.2V。但由于VD3的存在，VT1集电极电压比输入电压只低0.6V，因此VT1集电极电压总比基极电压高出0.6V，阻止了VT1进入深度饱和区。 em( }d' ~  

       二极管VD4的作用是当VT1截止时，吸收反向基极电流，通过VT1基极与发射极间的电容放电，从而达到减小存储时间的目的。大家知道一旦三极管当开关工作时，它的工作频率都会达到几十KHz，所以抗饱和二极管必须得是快速恢复型二极管。VD1、VD2和VD4可选用低压型器件，但VD3的反向击穿电压一般应不低于VT1集电极电源电压的2倍。 i3<t 3 > t  

       但是有一些问题，就是它采用的二极管实在是太多了，居然有4个。而且在开状态时，ce间的电压有0.6V之巨，看来功耗不会小了。虽然这样的伎俩会使晶体管关闭时的延迟时间几乎减小到0，但一般开关电路中还是很少使用。 bX8]|zI w  

      而目前广泛使用的方案是采用辅助晶体管组成有源抗饱和网络。这些都是集成电路的形式。也就是说给你一个管子，但是它里面已整合了这些辅助的有源器件，大家都知道集成电路就喜欢使用三极管来代替其它器件，因为集成电路中三极管才是最好“造”的。用分立器件等效画出来就如下图所示。这是飞思卡尔公司利用 PNP型晶体管作为那个小伎俩（抗饱和元件），整合在开关电路上形成的。有时也称高频高增益双极型晶体管。 s`mQU23GJ  

       其中，Q1是主晶体管，VD1是续流保护二极管（起保护作用，在下文中有详细讨论）。Q2是PNP型，作为有源抗饱和电路。当Q1进入临界饱和之后，其发射结和集电结都处于正向偏置，那么这个时候你要注意了，Q2已经导通了，想想Q2导通的条件，不难理解。一旦Q2导通，势必会将流向基极的电流分走一部分。饱和程度越深，集电极电位越低，那么Q2对流向基极的电流分流作用就越大，基极电流Ib不就越小了吗？这就减轻了Q1的饱和程度。一旦Q1脱离了饱和区，那么它的集电极电位不久升高了吗？那么和基极之间的电位差小到一定程度时，Q2关闭，Ib又立即增大，从而使Q1又很快重新进入饱和状态。这么看来，Q2确实改善了Q1的开关特性，同时还提高了电路工作的稳定性。 <eB Q kZm  

       实际上此类抗饱和电路都是采用TO-220封装形成的集成块，而非上图中所示的由分立器件组成的电路，这个情况要有个认识。比如还有一种抗饱和形式的电路的封装，比如下面这种情况的抗饱和三极管，它是由双极型三极管和肖特基二极管组成。肖特基二极管(SBD，Schottky Barrier Diode,简称肖特基二极管，希望以后提到sbd，大家要首先想到“快速”这个概念，也就是它可以工作在很快的频率下)是借助于金属铝和n型硅的接触势垒产生整流作用。它具有两个特点。一是正向压降较小，约为0.1～0.3 V；二是本身没有电荷存储作用，开关速度快。把肖特基二极管并接在三极管的b和c两个电极上，当三极管b—c结接入正向偏置时，SBD导通，把b—c正向电压钳在0.3 V左右，同时SBD将三极管基极的过驱动电流分流至集电极，有效地避免了三极管进入深饱和状态而工作在临界饱和状态，从而大大提高了工作速度。 J\/ AOn ~  

      值得注意的是，gemfield在上面讨论的也仅仅是一些个例，思路摆在这里了，道理也明白了，需要做的就是在以后的电路实践中不断探索、增加经验