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， 在開關(guān)電源中作為功率開關(guān)管得到了廣泛的應(yīng)用。應(yīng)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間、下降時間， 提高開關(guān)速度， 且一致性、重復(fù)性好， 成品率高， 這是高反壓功率開關(guān)晶體管傳統(tǒng)制造工藝無法比擬的。為了降低功率雙極晶體管的損耗， 本文采用了10 MeV 電子輻照來減小其關(guān)斷延遲時間， 提高開關(guān)電源轉(zhuǎn)換效率。

　　通過在功率雙極晶體管中加入鉗位電路使得晶體管不能達(dá)到深飽和也能降低關(guān)斷延時和關(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(yàn)中采用的開關(guān)電源為BCD 半導(dǎo)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(dǎo)體公司提供的APT13003E, 它被廣泛應(yīng)用于電子鎮(zhèn)流器、電池充電器及電源適配器等功率開關(guān)電路中。

　　1 開關(guān)電源中開關(guān)晶體管的損耗

　　圖1所示為一個典型的反激式開關(guān)電源示意圖。在示意圖中， 開關(guān)晶體管Q1 的集電極連接變壓器T1.當(dāng)控制器驅(qū)動為高電平時， Q1 導(dǎo)通， 能量存儲到變壓器T1 中。當(dāng)控制器驅(qū)動為低電平時， Q1關(guān)斷， 能量通過變壓器T1 釋放到后端。圖2所示為開關(guān)晶體管開關(guān)過程中集電極電壓和電流的波形示意圖。

　　關(guān)晶體管在工作過程中的損耗分為開關(guān)損耗和穩(wěn)態(tài)損耗， 其中開關(guān)損耗包括導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗， 穩(wěn)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(jì)。我們把Vce由90% Vindc降到110% Vcesat所用的時間定義為導(dǎo)通延時， 即圖2中的t1 - t0, 把IC 由90% Icmax下降到0所用的時間定義為關(guān)斷延時， 即t3 - t2。

　　在開關(guān)晶體管開通時， 集電極電壓在控制器驅(qū)動電壓為高時， 基極電流變大， 集電極電壓由Vindc下降為0, 此時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， 因此在開關(guān)晶體管集電極產(chǎn)生一個尖峰電流， 另一方面， 如果副邊整流二極管的反向恢復(fù)電流沒有降到0, 也會進(jìn)一步加大這個尖峰電流。開關(guān)晶體管出現(xiàn)集電極電壓和電流交替現(xiàn)象， 產(chǎn)生導(dǎo)通損耗， 直到集電極電壓降到Vcesat.導(dǎo)通損耗可以表示為：

　　在晶體管導(dǎo)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：

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

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

　　開關(guān)管總的損耗可以表示為：

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

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