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電子輻照對(duì)功率雙極晶體管損耗分析(二)

星之球激光 來(lái)源:電子發(fā)燒友2011-11-29 我要評(píng)論(0 )   

3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果 將四組不同的APT13003E 開關(guān)晶體管放入同一個(gè)使用BCD半導(dǎo)體公司研發(fā)的AP3765充電器系統(tǒng)中, 該充電器的功率是3W, 輸入交流電壓范圍是85V ~ 264 V, 輸出...

3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

  將四組不同的APT13003E 開關(guān)晶體管放入同一個(gè)使用BCD半導(dǎo)體公司研發(fā)的AP3765充電器系統(tǒng)中, 該充電器的功率是3W, 輸入交流電壓范圍是85V ~ 264 V, 輸出直流電壓是5 V.圖3所示為85 V、115 V、230 V 和264 V 交流輸入電壓下, 使用電子輻照后的APT13003E 與常規(guī)的APT13003E在輸出負(fù)載電流分別是0. 15 A、0. 30 A、0. 45 A、0. 60 A(即25%、50%、75%、100%負(fù)載)下的系統(tǒng)平均效率增加值。

  

 

  圖3 電子輻照后的APT13003E與常規(guī)的APT13003E在各個(gè)交流輸入電壓下系統(tǒng)平均效率增加百分比

  從圖3 中可以看到, 在較低的交流輸入電壓(如85 V和115 V )下, 使用輻照后的APT13003E比使用未輻照的APT13003E 系統(tǒng)效率都有所提高, 而在較高交流輸入電壓下(如230 V 和264 V ), 輻照后的APT13003E 未能使系統(tǒng)效率提高。在85 V 交流輸入電壓下, 輻照劑量為10 kGy 的APT13003E的性能最好, 開關(guān)晶體管的總損耗由0. 209W 降低到0. 121W, 降低了42% , 使得系統(tǒng)整體效率提高了2. 1% , 若該開關(guān)晶體管采用TO - 92封裝, 這將使開關(guān)晶體管的結(jié)溫降低約11 ℃ ; 在115 V交流電壓下, 系統(tǒng)的整體效率也提高了約1. 4%, 開關(guān)晶體管的結(jié)溫將降低約7℃, 這就有效地提高開關(guān)晶體管的可靠性, 降低了開關(guān)電源的損耗。

  當(dāng)輻照劑量進(jìn)一步增加到15 kGy后, 系統(tǒng)效率提高的幅度反而降低, 因此要獲得最佳的系統(tǒng)效率,需要采用最合適的輻照劑量。

  我們對(duì)85 V 和264 V 交流輸入電壓, 輸出電流為0. 45 A 條件下四組APT13003E的集電極電壓電流波形進(jìn)行了測(cè)試, 分析了開關(guān)晶體管工作的各個(gè)階段的損耗, 結(jié)果如表2所示, tON表示導(dǎo)通延時(shí), toff表示關(guān)斷延時(shí), Tw 為開關(guān)周期, P in為充電器輸入功率, P los STot為開關(guān)晶體管總的損耗, P loss tot /P in為開關(guān)晶體管損耗占系統(tǒng)輸入功率的百分比。

  

 

  表2 四組APT13003E在充電器系統(tǒng)中各個(gè)階段的損耗分析

  從表2中可以看出, 在85 V 交流輸入電壓下,輻照之后的APT13003E 比未輻照的APT13003E 的關(guān)斷延時(shí)有了大幅的減小, 因此關(guān)斷損耗大幅的減小, 如輻照為10 kGy的管子的關(guān)斷損耗減小為未輻照管子的1 /6; 導(dǎo)通延時(shí)有所增加, 但增加的幅度較小, 導(dǎo)通損耗有較小的增加; 飽和壓降隨輻照劑量的增加而增加, 因此通態(tài)損耗隨輻照劑量的增加而增加。開通損耗、通態(tài)損耗的增加與關(guān)斷損耗的減小是一對(duì)矛盾, 因此必須選擇合適的輻照劑量, 才能使開關(guān)晶體管總的損耗最小。

  而在264 V輸入電壓下, 輻照后關(guān)斷損耗只有較小幅度的減小, 因此總損耗基本不變, 系統(tǒng)效率也沒有改善。如圖4 和圖5 分別為未經(jīng)輻照的APT13003E 在85 V 和264 V輸入電壓下基極電流、集電極電壓和電流的波形。比較圖4和圖5中可以看出, 在264 V 輸入電壓條件下導(dǎo)通時(shí)集電極電流的尖峰比起85 V 時(shí)要大很多, 這是因?yàn)閷?dǎo)通時(shí)變壓器寄生電容充電電壓增大了2. 1倍, 但充電時(shí)間只增加了約0. 6倍, 所以充電電流就會(huì)大大增加, 這也導(dǎo)致了APT13003E 的導(dǎo)通損耗由85 V 下的0. 016W 變?yōu)?64 V下的0. 183W, 此時(shí)導(dǎo)通損耗占了總的損耗的大部分, 而電子輻照對(duì)導(dǎo)通損耗并沒有改善; 另一方面, 在APT13003E 關(guān)斷時(shí), 集電極電壓并沒有直接降到0, 而是先經(jīng)過(guò)一個(gè)近100 ns的電流“ 尾巴”之后, 才又下降到0, 此時(shí)集電極電壓已經(jīng)比較大了, 因此這個(gè)電流“尾巴”所造成的損耗占關(guān)斷損耗的比例較大。產(chǎn)生這個(gè)“尾巴”的原因是, 關(guān)斷開關(guān)晶體管時(shí), 由于管子的基區(qū)比較薄, 過(guò)大的基極電流引起較大的基區(qū)電位差, 使VBE 為負(fù)的情況下發(fā)射結(jié)局部正向偏置, 集電極電流遲遲降不下來(lái)。

  

 

  圖4 85 V交流輸入電壓下APT13003E基極電流、集電極電壓、集電極電流波形圖

  

 

  圖5 264 V 交流輸入電壓下APT13003E 基極電流、集電極電壓、集電極電流波形圖

  而經(jīng)過(guò)電子輻照后的APT13003E, 其集電極電流的這個(gè)“尾巴”并沒有減小, 所以造成了輻照后的APT13003E 的關(guān)斷損耗并沒有大幅的降低, 因此系統(tǒng)的效率并沒有改善。我們一方面可以優(yōu)化基極驅(qū)動(dòng)電路, 使關(guān)斷初始時(shí)基極反向電流不至于太大, 避免產(chǎn)生電流“尾巴”, 而關(guān)斷的最后階段突增反向基極電流, 則在高輸入電壓下, 系統(tǒng)的效率就會(huì)有所提高; 另一方面, 通過(guò)分段繞制、使用介電常數(shù)小的絕緣材料、適當(dāng)增加絕緣層厚度和靜電屏蔽等方法, 降低變壓器的寄生電容, 降低開關(guān)晶體管的導(dǎo)通損耗,系統(tǒng)效率也將提高。

4 電子輻照管與鉗位型開關(guān)管的比較

 

 

  采用鉗位型開關(guān)晶體管也能降低開關(guān)晶體管的關(guān)斷延時(shí), 其原理是通過(guò)鉗位電路使VBC在晶體管導(dǎo)通時(shí)不能增加到深飽和所需的0. 7 V, 這樣注入集電結(jié)兩側(cè)的少子很少, 使超量?jī)?chǔ)存電荷很少, 這樣儲(chǔ)存時(shí)間大大縮短。采用鉗位型開關(guān)晶體管主要有兩種, 一種是在集電結(jié)并聯(lián)肖特基二極管的晶體管,由于在高溫下漏電電流較大, 其ts - Vcesat的Trade??o ff關(guān)系最差, 目前應(yīng)用較少。另一種是橫向PNP鉗位型晶體管, 其結(jié)構(gòu)圖如圖6所示, 它在高溫下漏電較小, 能得到較好的Trade-off關(guān)系,電流放大系數(shù)基本不變, 目前得到了越來(lái)越多的應(yīng)用, 如吉林華微電子股份有限公司研發(fā)的產(chǎn)品3DD13003A 就采用了這種結(jié)構(gòu)。

  

 

  圖6橫向PNP鉗位型晶體管結(jié)構(gòu)圖

  表3是AP3765序列充電器中采用經(jīng)過(guò)10 kGy電子輻照的APT13003E 及3DD13003A 在85 V 和230 V 輸入電壓下輸出負(fù)載電流分別是0. 15 A、0.30 A、0. 45 A、0. 60 A 系統(tǒng)平均效率的結(jié)果。從表3中可以看出, 10 kGy電子輻照后的APT13003E的效率與3DD13003A 的效率基本相同。

  

 

  表3 AP3765充電器采用以下三種開關(guān)晶體管系統(tǒng)效率的比較

  采用電子輻照工藝方法簡(jiǎn)單, 成本很低, 輻照后將使得開關(guān)晶體管的反向擊穿電壓增大, 使開關(guān)晶體管的可靠性增加, 特征頻率基本不變, 其缺點(diǎn)是電流放大系數(shù)降低, 在大功率應(yīng)用時(shí)可能會(huì)無(wú)法正常導(dǎo)通, 因此主要應(yīng)用于中小功率開關(guān)電路中。而橫向PNP鉗位型開關(guān)晶體管對(duì)電流放大系數(shù)基本沒有影響, 由于在側(cè)面增加了一個(gè)pn 結(jié), 所以晶體管面積和結(jié)電容會(huì)增加, 減小了晶體管的特征頻率, 但不能提高反向擊穿電壓, 可以應(yīng)用在雙極數(shù)字電路和中小功率開關(guān)電路中。

  5 結(jié)論

  在較高交流輸入電壓下由于變壓器寄生電容充電造成導(dǎo)通損耗過(guò)大及關(guān)斷階段集電極電流“尾巴”的存在, 使得系統(tǒng)效率沒有改善。由于電子輻照使得導(dǎo)通損耗和通態(tài)損耗增加, 因此只有采用合適的電子輻照劑量才能使系統(tǒng)效率得到最大的提高。采用合適的電子輻照劑量的開關(guān)晶體管與采用橫向PNP鉗位型晶體管的開關(guān)電源系統(tǒng)效率基本相同。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

 

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