開關(guān)電源中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。

本文實驗中采用的開關(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。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。

2 電子輻照實驗

電子輻照能在硅中引入多種深能級， 這些能級將根據(jù)其在禁帶中的位置， 對電子空穴俘獲截面的大小以及能級密度的大小等均對非平衡載流子的復(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)時間、電流放大系數(shù)( hFE )等。實驗中我們把未經(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