在看到李宁约写一篇有关晶体管（三极管）的应用经验的文章之时，与半导体接触有十余的我，感觉有很多想要聊聊。但是研读了《晶体管电路设计(上)》.铃木雅臣.2004年9月第一版，这本书之后，发现这本书讲得很实用，很详细，基本原理讲得很到位。 本书的作者主要解释了两点：第一个通过模拟体验放大电路的实验，充分掌握最基本的放大元件，即晶体管的工作原理，从而达到从容设计利用晶体管的分立电路。第二个是不要IC看成简单的盒子，而是看成“晶体管和FET，电阻、电容等分立器件的结合体”。也就是说，能够看懂IC内部的电路为目的。
下面根据我的职业的经历，我聊聊在功率驱动中的晶体管的使用。由于晶体管的制造相对于场效应管成熟，成本相对低，同时还有其它技术上的优点，使得它在实际的功率器件应用中还是有相当大的市场。比如，在高压的ACDC的应用中晶体管做高压开关管，如下图所示。 图1射极驱动的NPN 图2基极驱动 在图1中Q1是用做高压开关管，其是一种射极驱动的开关。在图2中Q1是用做高压开关管，其是一种基极驱动的开关。 使用三极管作为功率开关，其主要特性有： 1、 低成本，在相同高的击穿电压，及导通电流的能力下，三极管相对于金属场效应管（MOS）的价格更低廉。这主要是三极管的制造过程相对简单，同时三极管的工艺相对也成熟。 2、 击穿后电路是开路的。与金属场效应管击穿后是短路状况不同的是，三极管击穿之后开路的。这一点对于有安全要求的场合来说是非常重要的。尤其是在那非隔离的ACDC应用来，器件出现失效后，是否能够把高压与使用的端口断开显得非常重要。要实现这一点，三极管很容易实现。 3、 由于三极管是多数载流子工作的器件，因此，有开启速度上，会比金属场效应管要快。 4、 深度饱和区的三极管，恢复时间长。同时由于在饱和时，VCE的电压并没有明显的变化，因此，在作为开关管使用的时候，为避免三极管关断速度过慢，在设计驱动电路的时候，应该尽量避免三极管进入深度饱和区。 5、 三极管是电流驱动型的。金属场效应管是电压驱动型，其驱动的设计相对简单。但三极管是基极电流驱动的。而所需要的基极驱动电流，满足Ib=Ic/beta这一关系。而在三极管导通过程中，Ic会随着Vce电压的下降而小幅下降，但是电流放大倍数却会随着Vce的下降而降低，总的表现结果就是，想要三极管从关断状态进入饱和区，需要一个不断增大的一个基极电流。如果基极电流不能随着增大，那么三极管很可以仍然工作在线性放大区，这时候，Ic电流及Vce电压都非常高，显然它们之间的乘积，也就是损耗也将非常大。我们将看到，电路的效率非常低，而且开关的三极管温度将非常高。但是，在第4点中，我们也看到，为了防止三极管进入深度饱和区，又不能无限制地过度增加基极电流。因此，在设计这个基极驱动的时候，最好能够根据三极管的不同状态来调整其驱动电流。 6、 三极管有正温度系数的电流放大倍数。在做功率驱动时，一定要避免出现温度的正反馈，导致开关管及系统烧毁。在相同的基极驱动电流的情况下，因为是功率开关，因此一定有损耗，有损耗就会发热使三极管晶体的温度升高，那么电流的放大倍数beta也就增大，由于基极电流不变，那么Ic电流也增大，由于Vce基本不变，那么三极管的损耗就继续增大，这样形成一个电流、温度的正反馈。如果不采取措施避免或打破这个正反馈。那么晶体管烧毁将不可避免。 7、 Vbe的负温度系数。其实，这一个特性与第6点的beta的正温度系数是相关的。单独列出来，我是想提醒一下，在设计基极偏置的时候，要考虑到低温的时候，基极的偏置电压能够产生足够的基极偏置电流，而在高温的时候，由于Vbe的减小，Beta的增大，为避免出现现在的正反馈，基极偏置最好能够根据三极管的工作状况进行自动调整。 8、 难以实现三极管的简单并联使用。这个主要还是三极管的beta的正温度系数造成的。比如，在两个三极管的并联应用中，因为两颗三极管不可能完全一样，表现在其电流放大倍数一定会不同，一个大点，一个小点。那么，在开关过程中，集电极电流Ic电流分配将会在放大倍数多点的那个管子上多流经过一些，而放大倍数小的，就会少流一些，由于Vce都是相同的，因此他们的损耗大小就与流过晶体管的电流成正比。三极管的温度又跟损耗成正比。结果是，放大倍数越大的芯片，流过越大的电流，损耗也就越大，温度也就越高，从而放大倍数升高的幅度也比放大倍数小的大。因此，电流大的那一路越来越小，最极端的的情况就是最后，所有的电流都流过大beta的那个管子。如果总电流或功耗超个了单只三极管的极限范围，那么，最终会先烧毁大beta的管子，接着所以电流都流过小beta的三极管，然后也烧毁。因此，在并联使用三极管的时候，一定要做好均流。一个简单的办法就是在发射极各串联一个电阻，以引入一个负反馈，从而打破正反馈的形成。当然这会增大系统的损耗。 由上我们看到，三极管有成本上的优势，但其设计上的还是有一定复杂性。如果你真正掌握了三极管的驱动设计，将会使你的产品更优越，成本更低，竞争力更强。
很多时候纸上得来终觉浅，而有些时候仿真也会和实际情况相差甚多，这时实实在在的电路总是能让我们的获得更深刻的理解。在以前这能只能通过面包板或者万能板，再加上若干元器件来实现。而现在李宁的努力下，让我们有了一种全新实践动手搭建电路、测试电路的方式，即眼下如火如荼在工程师众筹平台——聚丰众筹进行的“晶体管电路的实验艺术”的众筹项目，此项目将《晶体管电路设计(上册)》中的电路做成了电路实验板。针对每一章节内容中的电路，都有相应的电路实验板，只要自己买回元器件焊接好，接上相应的信号源，用示波器测试电压波形，书上内容活灵活现的展现在了眼前。透彻理解晶体管，这一切都变得简单了很多。有没有心动，那就快来聚丰众筹支持吧！（离众筹结束只剩最后一天） 我们一起来玩晶体管电路吧 |
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