開(kāi)關(guān)電源中電子輻照對(duì)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(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(kāi)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(kāi)關(guān)晶體管傳統(tǒng)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(zhuǎn)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(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(kāi)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(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(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(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(wěn)態(tài)損耗， 其中開(kāi)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(kāi)關(guān)晶體管開(kāi)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(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(fù)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(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(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(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(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。

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(kāi)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(guò)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(guò)200℃2 h的