電子輻照對功率雙極晶體管損耗分析

功率雙極晶體管由于其低廉的成本， 在開(kāi)關(guān)電源中作為功率開(kāi)關(guān)管得到了廣泛的應用。應用電子輻照技術(shù)可以減小少子壽命， 降低功率雙極晶體管的儲存時(shí)間、下降時(shí)間， 提高開(kāi)關(guān)速度， 且一致性、重復性好， 成品率高， 這是高反壓功率開(kāi)關(guān)晶體管傳統制造工藝無(wú)法比擬的。為了降低功率雙極晶體管的損耗， 本文采用了10 MeV 電子輻照來(lái)減小其關(guān)斷延遲時(shí)間， 提高開(kāi)關(guān)電源轉換效率。

　　通過(guò)在功率雙極晶體管中加入鉗位電路使得晶體管不能達到深飽和也能降低關(guān)斷延時(shí)和關(guān)斷損耗，本文也對電子輻照雙極晶體管和鉗位型雙極晶體管進(jìn)行了比較。

　　本文實(shí)驗中采用的開(kāi)關(guān)電源為BCD 半導體公司研發(fā)的3765序列充電器， 采用的功率雙極晶體管是BCD半導體公司提供的APT13003E, 它被廣泛應用于電子鎮流器、電池充電器及電源適配器等功率開(kāi)關(guān)電路中。

　　1 開(kāi)關(guān)電源中開(kāi)關(guān)晶體管的損耗

　　圖1所示為一個(gè)典型的反激式開(kāi)關(guān)電源示意圖。在示意圖中， 開(kāi)關(guān)晶體管Q1 的集電極連接變壓器T1.當控制器驅動(dòng)為高電平時(shí)， Q1 導通， 能量存儲到變壓器T1 中。當控制器驅動(dòng)為低電平時(shí)， Q1關(guān)斷， 能量通過(guò)變壓器T1 釋放到后端。圖2所示為開(kāi)關(guān)晶體管開(kāi)關(guān)過(guò)程中集電極電壓和電流的波形示意圖。

　　關(guān)晶體管在工作過(guò)程中的損耗分為開(kāi)關(guān)損耗和穩態(tài)損耗， 其中開(kāi)關(guān)損耗包括導通損耗和關(guān)斷損耗， 穩態(tài)損耗包括通態(tài)損耗和截止損耗， 其中截止損耗占總的損耗的比率很小， 可以忽略不計。我們把Vce由90% Vindc降到110% Vcesat所用的時(shí)間定義為導通延時(shí)， 即圖2中的t1 - t0, 把IC 由90% Icmax下降到0所用的時(shí)間定義為關(guān)斷延時(shí)， 即t3 - t2。

　　在開(kāi)關(guān)晶體管開(kāi)通時(shí)， 集電極電壓在控制器驅動(dòng)電壓為高時(shí)， 基極電流變大， 集電極電壓由Vindc下降為0, 此時(shí)由于變壓器與原邊并聯(lián)的寄生電容兩端的電壓差也從0變?yōu)閂indc, 寄生電容充電， 因此在開(kāi)關(guān)晶體管集電極產(chǎn)生一個(gè)尖峰電流， 另一方面， 如果副邊整流二極管的反向恢復電流沒(méi)有降到0, 也會(huì )進(jìn)一步加大這個(gè)尖峰電流。開(kāi)關(guān)晶體管出現集電極電壓和電流交替現象， 產(chǎn)生導通損耗， 直到集電極電壓降到Vcesat.導通損耗可以表示為：

　　在晶體管導通后， 集電極電流從0逐漸變大， 而Vcesat不為0, 因此產(chǎn)生通態(tài)損耗。通態(tài)損耗可以表示為：

　　在開(kāi)關(guān)晶體管關(guān)斷時(shí)， 集電極電流不能馬上降為0, 而集電極電壓已經(jīng)從Vcesat開(kāi)始上升， 在開(kāi)關(guān)晶體管上產(chǎn)生電壓電流交替現象， 從而產(chǎn)生關(guān)斷損耗。

　　由于變壓器是電感元件， 當開(kāi)關(guān)突然關(guān)斷時(shí)， 變壓器電感元件電流不能突變， 會(huì )產(chǎn)生較大的反激電壓， 阻礙電流變化， 通過(guò)電路加在開(kāi)關(guān)管上， 產(chǎn)生比較大的損耗。關(guān)斷損耗可以表示為：

　　開(kāi)關(guān)管總的損耗可以表示為：

　　一般情況下， 關(guān)斷損耗在開(kāi)關(guān)損耗中占的比率最大， 而關(guān)斷損耗跟開(kāi)關(guān)晶體管的關(guān)斷延遲時(shí)間有關(guān)， 減小關(guān)斷延遲時(shí)間( t3 - t2 )， 加快集電極電流下降速度， 可以降低開(kāi)關(guān)晶體管的總損耗。

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