開關電源雙極性開關管的選擇

所謂雙極性，是指有兩個PN結的普通開關三極體，在「彩顯」中一般作為開關電源、行輸出級和S校正電路的切換開關。三極體的開關狀態和模擬放大狀態的要求明顯不同，對開關特性的描述也不是通常的fT、fa所能概括的。

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在開關電源中，是通過三極體開與關的時間比（即佔空比）穩定輸出電壓的。在這裡，三極體被當作開關使用，利用三極體的放大作用，通過極小的基極電流控制集電極電流。當集電極電流飽和時，認為開關已接通，而集電極電流截止時，則認為開關已斷開。

但是，三極體的開/關並非處於理想狀態，導通時尚有其飽和壓降VCES，斷開時其IC≠0，而具有一定的ICEO。與理想開關相比，電晶體作為開關並非完全隨基極控制電流同時進行開/關，其中存在一定的過程。

為了研究三極體開/關此瞬間過程，首先對開/關的相對值作一規定，即當集電極電流達到其最大飽和電流90%時，認定它已接通，而集電極電流下降為I。的10％時，認為它已經斷開。按此標準計量，三極體開/關過程所需時間作為衡量三極體的開關特性的比較標準。

電晶體工作在開關狀態和工作在線性放大狀態有完全不同的要求。放大狀態要求三極體的Ic應該完全受控於IB，且兩者有穩定的線性關係，包括放大後的模擬波形和輸入波形有完全相同的包絡線。開關狀態則要求三極體的基極電流達到Icm/hfe，其集電極電流立即上升到Icm，不應有過渡過程。但實際上這是不可能的，因為三極體是利用其放大特性工作於開關狀態的。

任何三極體其IC-IB特性均為與x軸有一夾角的斜線，該斜線的斜率（即夾角）永遠不會垂直於X軸（即hfe不會無窮大），那麼，Ir控制Ic由零增長到Icm也必然要符合斜線的規律才能達到，因而通/斷都需一定的時間。

除此而外，雙極性電晶體基本放大原理也使開關動作需一定的時間。電晶體處於放大狀態，常用最高截止頻率(fT)和共基極放大狀態最高頻率(fa)表示電晶體可工作的頻率範圍。但是，fT、fa並不能確切的表示電晶體的開關特性，雖然fT、fa越高，三極體的開關特性也越好，但有的電晶體fr、fa相同，其開關特性卻不盡相同。因此，三極體的開關特性常用開關的導通時間ton和關斷時間toff來表示。

導通時間是指，當基極驅動脈衝加入後，集電極電流由零達到飽和值90%所佔用的時間。為了排除驅動電流的影響，假設加到基極一發射極之間的控制電流為理想的矩形波，見下圖所示。在基極電流以垂直於X軸的特性上升時，集電極電流Ic並不隨之升高，而是有一延遲時間t。，在此時間內lc呈緩慢曲線上升到Icm的10%。產生延遲時間的原因是：三極體在截止狀態時，基區基本無自由電子，當控制電壓突然升高時，欲使發射結達到VB≥+0.6V，輸入電流必須不斷地給發射結電容充電，以降低PN結的內部電場，然後再向基區發射電子，因而需經過一段時間(ta)。ta正比於發射結電容，反比於發射結的面積。開關管功率越大，必然發射結面積相應增大，欲要減小t。就越加困難。

發射結的充電速度，不僅與輸入驅動脈衝的內阻有關，而且與三極體的截止有關。如果三極體處於深度截止（即反向偏置過大），ta也越慢。當Ic達到10%的Icm時，在驅動脈衝的作用下，Ic隨IB呈線性增長。

其增長速度即從Ic由10%到90%曲線的斜率等於該管的hfe。

前面已提到，此段曲線不可能是垂直線，因而形成上升時間tr。很明顯，三極體的hfe越大，Tr越短。經過延遲時間與上升時間之後，三極體Ic=90%的Icm才認為其已經導通，開關閉合，因此導通時間為ta+tr。當驅動脈衝回落至零時，開關的關斷同樣需要一定的時間。

當開關管飽和時，基區必然積累較多的電荷，集電結形成空穴積累，飽和過程中必然出現IB>IC/hFE,這是使三極體進入飽和區的可靠保證。但如果IB遠大於IC/hFE，即處於過飽和狀態（或稱深度飽和狀態），基區存儲電荷越多，集電結空穴積累越嚴重，當驅動脈衝截止時，存儲電荷的消散時間也越長，因而在驅動脈衝截止後，將Ic由90%降低為10%的時間稱為存儲時間ts。從三極體結構來說，基區和集電區越薄，存儲電荷量就越小，tr也就越小。經過ts之後，三極體隨存儲時間基區正偏逐漸消失，Ic隨之下降，形成下降時間tf。

存儲時間ta+tf，即構成開關管關斷時間。導通時間與關斷時間首先取決於三極體的結構和工藝，其次才是設計合理的開關驅動電路。

導通時間和截止時間構成開關管的導通損耗和截止損耗。因為在此時間內，三極體處於放大區，其管壓降必然增大，功耗隨之增加。與此相同的原理，二極體也有導通／截止時間，不過，在開關電源中，影響最大的是二極體的反向恢復時間。當二極體導通後，外加脈衝降為零，二極體並不會立即截止，恢復到截止需一定時間（與上述相同的原因）。當工作頻率升高時，正向脈衝過後二極體不能及時恢復，其單向導電性則使電路處於短路狀態。二極體的恢復時間除取決於PN結、N電容以外，還與工藝結構有關，因此有普通工頻整流二極體、快恢復二極體、肖特基二極體之分。

普通工頻整流二極體正向壓降範圍為1～2V，隨耐壓升高有不同程度的增大。目前其最高反壓可作到5kV以上，最大整流電流達到kA以上。所謂工頻，不單指頻率，還指其波形是正弦波，其反向恢復時間比較慢，因此，此類二極體不適直用在方波逆變器中作整流和阻尼。在開關電源中，也只能用於交流電源整流。

快恢復二極體，指反向恢復時間在50～200ns範圍內，可用於100kHz。以下的開關脈衝的整流、箝位及開關管的阻尼電路等。快恢復二極體的參數與生產工藝有關，反向恢復時間最快的屬外延法生產的二極體．一般手冊中所列最高反壓為其擊穿電壓的80%，選用時需注意留有適當的餘量。

肖特基二極體SBD為多數載流子單向導電器件，其開關時間極短，一般為50～100ns。其最大特點是：

正向壓降理論上為0.3～0.5V，額定電流不超出0.6～0.8V，比PN結二極體的最大正向壓降1～1.2V低近一倍，因此作低壓大電流脈衝整流十分有利。但肖特基二極體反向電壓較低，大多為40V以下，只有極少數產品能達到100V。一股用於低壓輸出開關電源中和大電流低電壓的脈衝整流電路中。