双极性结型晶体管的开关损耗

在SPICE仿真的帮助下，我们研究了当BJT用作开关时发生的两种类型的功耗。

双极性结型晶体管（BJT）既可以用作小信号放大器，也可以用作开关。尽管现在你在电路板上看不到很多分立的BJT放大器——使用运算放大器要方便有效得多——但作为开关连接的BJT仍然很常见。

BJT开关通常用于阻断或向有刷直流电机、灯或螺线管等负载输送电流。它们有时也出现在更高频率的开关应用中，如开关模式调节器或D类放大器。图1显示了BJT开关的两种常见应用：高强度LED照明（左）和继电器控制（右）。两个开关都由微控制器上的通用输入/输出引脚驱动。

用于不同应用的两个BJT开关。

图1。BJT作为开关的两个例子。

在设计BJT开关电路时，我们的重点往往是正确控制晶体管和驱动负载所需的电流和电压。然而，考虑功耗也很重要，尤其是在电池供电或高环境温度应用中。如果我们不这样做，BJT的损耗可能会使部件温度升高到性能受损甚至热失效的程度。至少，功耗会降低交换机的效率。

在本文中，我们将关注两种主要类型的功率耗散：传导损耗和过渡损耗。

BJT传导损耗

作为开关，BJT始终以两种模式之一运行：

完全关闭。无负载电流可以流动，功耗基本为零。

完全开启。负载电流自由流动，功耗低但非零。

在导通状态下，负载电流从BJT的集电极流到其发射极。还需要基极到发射极电流以使集电极到发射极导通成为可能。这两条电流路径的总功耗称为传导损耗（PC）。我们可以使用以下公式进行计算：

VBE是基极-发射极结两端的电压

VCE是集电极-发射极结两端的电压

IB是基本电流

IC是集电极电流。

在导通过程中，VBE通常在700 mV左右。当BJT处于饱和（这是开关应用的首选模式）时，VCE约为200 mV。我们可以通过假设这些固定值，然后通过标准电路分析技术确定基极和集电极电流，来获得导通损耗的粗略估计。

用LTspice估算传导损耗

SPICE模拟提供了另一种更准确的估计传导损耗的方法。例如，考虑图2中的LTspice电路。该模拟双极性结型晶体管的Q1由3.3 V数字信号控制，并将电流切换到50Ω负载。

一种LTspice双极结晶体管电路。

图2:在LTspice中建模的双极性结型晶体管。

图3显示了运行模拟时产生的基极-发射极和集电极-发射极电压。

在开关周期的有源部分，模拟BJT开关的基极-发射极和集电极-发射极电压。

图3。在开关周期的有效部分期间，基极到发射极电压和集电极到发射极的电压。

LTspice图显示了208.5 mV的VCE，这与我们在前一节中假设的200 mV值非常接近。相比之下，VBE明显高于我们假设的934 mV，而不是预期的700 mV。

我们可以将这些新值插入电路分析计算中，并生成一个新的传导损耗估计值，但让LTspice为我们计算要容易得多。只需按住Alt键（如果您使用Mac，则按住Command键），然后点击晶体管；LTspice将生成如图4所示的图。

LTspice计算并绘制的晶体管功耗。

图4。LTspice计算并绘制的晶体管功耗。

结果表明，该BJT开关将在开关周期的激活阶段消耗一致的56mW的功率。

BJT转换损耗

上面功耗图中的这些不祥的峰值表明，传导损耗并不是我们需要讨论的唯一类型的功耗。图5显示了如果我们放大其中一个尖峰会发生什么。

BJT在从关断到接通的转换过程中的功耗。

图5。在从非导通截止状态到饱和导通状态的转变期间的BJT功率耗散。

出现这些尖峰是因为BJT不能瞬间从非导通状态变为完全导通状态。在过渡过程中，大量的集电极电流流动，集电极到发射极的电压尚未稳定到其低饱和水平。因此，功耗相对较高。

您可以在图6中看到这些电流-电压动态。橙色和红色曲线分别绘制了集电极电压和集电极电流；绿色曲线描绘了功耗。

集电极电压、集电极电流和从接通到断开转换期间的BJT总功耗。

图6。从关断状态转换到导通状态期间的集电极电压、集电极电流和BJT总功耗。

没有直接的方法可以准确地计算过渡损耗。涉及多个变量，BJT的电流和电压以相当复杂的方式变化。我建议使用模拟。

让我们来看一个例子。从上面的图开始，我可以按住Ctrl键并单击波形标签来执行积分（图7）。功率曲线下的面积表示能量损失，并且该能量可以加起来并除以时间，以产生由于BJT转变而产生的平均功率耗散。

将瞬时功率波形与LTspice积分。

图7。将瞬时功率波形与LTspice积分。

这表明，每次跃迁都会导致约1.35μJ的能量损失。假设我们以500赫兹，即每秒500个周期进行切换，这相当于每秒1000次转换。每秒的总能量损失为1.35μJ×1000=1.35 mJ。因此，由于转换而导致的平均功率耗散为1.35mW。

即使在不需要数字估计的情况下，也应注意以下两个参数：

开关频率。更高的开关频率意味着每秒有更多的转换，因此时间平均损耗更高。

上升/下降时间。上升或下降时间越长，每次转换的能量损失越大。

这两个因素都强烈影响过渡损耗。例如，图8表明，将控制信号的上升时间从10μs（用于上述模拟的值）增加到100μs会将能量损失从1.35μJ增加到13.7μJ。

该图显示了较慢的转变时间和相应较高的能量损失。

图8。开启和关闭状态之间较慢的转换会导致更多的能量损失。

总结

正如我们在本文中所看到的，SPICE模拟是分析和预测BJT开关损耗的一个有价值的工具。了解这些功耗来源可以帮助设计者优化电路，确保组件不会因过高的温度而受到应力或损坏。