電子輻照對(duì)開關(guān)電源中功率雙極晶體管損耗的影響

中心議題：

• 開關(guān)電源中開關(guān)晶體管的損耗
• 開關(guān)電源中開關(guān)晶體管的電子輻照實(shí)驗(yàn)
• 電子輻照雙極晶體管和鉗位型雙極晶體管的比較

功率雙極晶體管的損耗是開關(guān)電源總損耗中的最多的器件之一， 采用10M eV電子輻照來降低功率雙極晶體管的下降延時(shí)， 以此來降低功率雙極晶體管的關(guān)斷損耗。在一個(gè)典型的充電器開關(guān)電源中， 85 V 交流輸入電壓下， 功率雙極晶體管總損耗最多降低了42%, 系統(tǒng)效率提高了2.1%.

開關(guān)電源具有功率轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)壓范圍寬、功率體積比高、重量輕等特點(diǎn)， 因此被廣泛應(yīng)用于手機(jī)充電器和筆記本電腦適配器等消費(fèi)類電子產(chǎn)品中， 如何降低開關(guān)電源的損耗受到越來越多的關(guān)注。而要在系統(tǒng)層面上優(yōu)化使開關(guān)電源效率提高1% 左右， 已經(jīng)變得非常困難。功率開關(guān)管是開關(guān)電源的核心部件之一， 其損耗是總的電源損耗最多的器件之一。為了使開關(guān)電源的變壓器、電抗器等磁性元件和平滑波形的電容器小型化， 并且進(jìn)一步提高電源系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能， 需要提高開關(guān)頻率。但頻率越高， 開關(guān)管的開關(guān)損耗越大， 這不僅降低了電能轉(zhuǎn)換效率， 使開關(guān)管發(fā)熱， 而且限制開關(guān)頻率的提高， 嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響電源系統(tǒng)的可靠性。因此，為了提高電源轉(zhuǎn)換效率和工作頻率， 就必須要降低開關(guān)管的損耗。

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(chǔ)存時(shí)間、下降時(shí)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(shí)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(shí)和關(guān)斷損耗，本文也對(duì)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(gè)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(dòng)為高電平時(shí)， Q1 導(dǎo)通， 能量存儲(chǔ)到變壓器T1 中。當(dāng)控制器驅(qū)動(dòng)為低電平時(shí)， 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(shí)間定義為導(dǎo)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。

在開關(guān)晶體管開通時(shí)， 集電極電壓在控制器驅(qū)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(fù)電流沒有降到0, 也會(huì)進(jìn)一步加大這個(gè)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(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(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(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， 可以降低開關(guān)晶體管的總損耗。

2 電子輻照實(shí)驗(yàn)

電子輻照能在硅中引入多種深能級(jí)， 這些能級(jí)將根據(jù)其在禁帶中的位置， 對(duì)電子空穴俘獲截面的大小以及能級(jí)密度的大小等均對(duì)非平衡載流子的復(fù)合起貢獻(xiàn)， 從而引起少子壽命、載流子濃度的降低，因此影響了與少子壽命有關(guān)的一些參數(shù)， 如晶體管的開關(guān)時(shí)間、電流放大系數(shù)（ hFE ）等。

實(shí)驗(yàn)中我們把未經(jīng)封裝的功率雙極晶體管APT13003E 圓片分為四組， 其中第一組作為對(duì)照組， 不做輻照處理， 其余三組經(jīng)過10M eV 的電子輻照， 輻照劑量分別為5 kGy、10 kGy、15 kGy, 輻照完成后， 經(jīng)過200℃2 h的高溫退火處理， 然后四組圓片經(jīng)過封裝后成為成品。表1是四組晶體管的FT測(cè)試結(jié)果。

表1 四組APT13003E 的FT測(cè)試結(jié)果

從表1中我們可以看到， 經(jīng)過輻照后， 儲(chǔ)存時(shí)間ts 隨著輻照劑量的增大有很大幅度的減小， 下降時(shí)間tf 有所減小， 上升時(shí)間tr 有所增加； 電流放大系數(shù)隨著輻照劑量的增加而下降； 飽和壓降和擊穿電壓HBVceo隨輻照劑量的增大而增大。

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。

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

本文采用了10MeV 電子輻照來降低開關(guān)晶體管的下降延時(shí)， 以此來降低開關(guān)晶體管的關(guān)斷損耗， 在較低交流輸入電壓下使得開關(guān)電源效率得到了提高，但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。