開關(guān)電源中電子輻照對功率雙極晶體管損耗分析

表1 四組APT13003E 的FT測試結(jié)果

從表1中我們可以看到， 經(jīng)過輻照后， 儲存時間ts 隨著輻照劑量的增大有很大幅度的減小，下降時間tf 有所減小， 上升時間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)測試結(jié)果

將四組不同的APT13003E 開關(guān)晶體管放入同一個使用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在輸出負載電流分別是0. 15 A、0. 30 A、0. 45 A、0. 60 A(即25%、50%、75%、100%負載)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行了測試， 分析了開關(guān)晶體管工作的各個階段的損耗，結(jié)果如表2所示， tON表示導(dǎo)通延時， toff表示關(guān)斷延時， 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)通時集電極電流的尖峰比起85 V 時要大很多， 這是因為導(dǎo)通時變壓器寄生電容充電電壓增大了2. 1倍，但充電時間只增加了約0. 6倍， 所以充電電流就會大大增加， 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, 此時導(dǎo)通損耗占了總的損耗的大部分， 而電子輻照對導(dǎo)通損耗并沒有改善; 另一方面， 在APT13003E 關(guān)斷時， 集電極電壓并沒有直接降到0, 而是先經(jīng)過一個近100 ns的電流“ 尾巴”之后， 才又下降到0, 此時集電極電壓已經(jīng)比較大了，因此這個電流“尾巴”所造成的損耗占關(guān)斷損耗的比例較大。產(chǎn)生這個“尾巴”的原因是， 關(guān)斷開關(guān)晶體管時， 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“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