三极管高低温特性测试

只看该作者 · 2025-6-29 12:44

#申请原创# @21小跑堂
三极管控制电路是很常见的，但是设计不好的时候，也会导致电路正常的工作。比如下面两个电路，仅仅是集电极电阻不一样，也就是流过集电极的电流不一样，最后仿真的结果就会显示三极管BE的压降不相同，一个是0.774V，一个是0.699V，相差75mV。

在常温的25度时候，还看不出有什么异常。由于我国地大物博，有炎热的吐鲁番，也有冰天雪地的漠河地区，不做详细的WCCA分析，设计的产品就会在东北地区因 BE 结电压温度特性导致无法可靠导通。通过下面的仿真，可以看到，显然第一个电路已经无法实现三极管正常关闭的功能。

出现这种现象，是由于本质上是半导体 PN 结物理特性与电路设计裕量不足共同作用的结果。三极管的 BE 结本质是 PN 结，其导通电压 VBE 与温度呈负相关关系。根据 PN 结电流方程：

其中热电压VT=kT/q随温度升高而增大（正温度系数），但饱和电流IS随温度升高呈指数级增长（负温度系数）。综合作用下，VBE 的总温度系数约为 - 2mV/℃。
所以环境温度越低，三极管BE压降越大。电路设计中，造成集电极电流IC越大，也会造成三极管BE压降越大的现象。
所以通过原理分析，就能解释上面两种仿真的结果。但作为硬件工程师，作为理论分析，不具体实践测一下，就不能实现完美的闭环。于是申请了高低温箱，实际测测看一下效果。

在低温30度的温箱中，上述电路工作一个小时后，测试三极管的BE压降是0.657V。

低温20度的温箱中，工作一个小时后，测试三极管的BE压降是0.634V。

高温65度的温箱中，工作一个小时后，测试三极管的BE压降是0.586V。

由此，实现了仿真，理论，实践的三重闭环。尽管这个电路很简单，但设计中考虑的不全面，还是会出错的。低温环境下三极管控制电路的可靠导通，需从 PN 结物理特性出发，通过动态偏置调整、负反馈优化和元件选型等多维度设计实现。实际工程中，建议预留 20% 的设计裕量，并通过恒温箱测试、动态响应分析和长期稳定性验证等手段确保电路在全温范围内的可靠性。对于极端低温应用，结合主动加热和双极驱动技术可进一步提升系统鲁棒性。通过系统性的设计与验证，可将低温下三极管的导通失败率从 30% 以上降低至 0.1% 以下，满足工业控制、航空航天等领域的严苛要求。