節(jié)能燈功率管失效原理研究

節(jié)能燈功率管失效原理研究

1引言

節(jié)能燈作為一種環(huán)保型的電源，在全世界得到了廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)節(jié)能燈的生產(chǎn)更是一枝獨(dú)秀。作為節(jié)能燈（包括電子鎮(zhèn)流器）的重要部件，大功率開關(guān)三極管的質(zhì)量對(duì)節(jié)能燈的質(zhì)量和壽命起著關(guān)鍵的作用。目前市場上除了仙童、ST等幾個(gè)進(jìn)口品牌外，國內(nèi)的節(jié)能燈功率管質(zhì)量都不夠穩(wěn)定。本文就大功率開關(guān)三極管在節(jié)能燈應(yīng)用中的失效機(jī)理作出分析，并對(duì)影響失效的因素進(jìn)行探討。

2失效模式

節(jié)能燈損壞、壽命短的主要原因是大功率開關(guān)三極管的失效。通過對(duì)失效功率管的解剖分析，絕大多數(shù)失效管屬發(fā)射結(jié)燒毀短路。用顯微鏡觀察解剖的失效管子時(shí)，可以見到在發(fā)射區(qū)焊位附近有明顯的燒毀發(fā)黑斑點(diǎn)（參見圖1）。這是典型的燒毀現(xiàn)象。

三極管工作時(shí)，由于電流熱效應(yīng)，會(huì)消耗一定的功率，這就是耗散功率。耗散功率主要由集電極耗散功率組成：

PT≈VceIc即PT≈PCM

我們知道，三極管的工作電流受溫度的影響很大。PN結(jié)的正向電流與溫度的關(guān)系為：

I∝e－(Eg－qV)/kT

當(dāng)三極管工作時(shí)，耗散功率轉(zhuǎn)化為熱，使集電結(jié)結(jié)溫升高，集電結(jié)結(jié)電流進(jìn)一步加大，會(huì)造成惡性循環(huán)使管子燒毀。這種情況叫熱擊穿。使管子不發(fā)生熱擊穿的最高工作溫度定義為最高結(jié)溫。硅材料PN結(jié)的最高結(jié)溫是：

Tjm=6400/(10.45＋lnρ)

另一種情況，當(dāng)管子未達(dá)到最高結(jié)溫時(shí)，或者未超過最大耗散功率時(shí)，由于材料的缺陷和工藝的不均勻性，以及結(jié)構(gòu)原因造成的發(fā)射區(qū)電流加緊效應(yīng)，使得三極管的工作電流分布不均勻。當(dāng)電流分布集中在某一點(diǎn)時(shí)，該點(diǎn)的功耗增加，引起局部溫度增高，溫度的增高反過來又使得該處的電流進(jìn)一步增大，從而形成“過熱點(diǎn)”，其溫度若超過金屬電極與半導(dǎo)體的共熔點(diǎn)，造成三極管燒毀。另一方面，局部的溫升和大電流密度會(huì)引起局部的雪崩（擊穿），此時(shí)的局部大電流能使管子燒通，使擊穿電壓急劇降低，電流上升，最后導(dǎo)致管子燒毀。這種情況就是所謂的二次擊穿。三極管二次擊穿的特性曲線如圖2所示[1]。

二次擊穿是功率管失效的重要原因。為保證管子正常工作，提出了安全工作區(qū)SOA的概念。SOA示意圖如圖3所示，它由集電極最大電流Icm線、擊穿電壓BVceo線、集電極最大耗散功率Pcm線和二次擊穿功耗Psb線組成。由于使用時(shí)工作電流和最大電壓的設(shè)計(jì)都不會(huì)超過管子的額定值，因此，正常情況下，集電極耗散功率和二次擊穿特性就是造成管子失效燒毀的主要因素。

3影響失效的因素

從上面的失效機(jī)理分析可知，為減少失效，重要的是要盡量降低管子工作時(shí)的功率、改善二次擊穿特性，這兩者其實(shí)是相關(guān)的。由二次擊穿的發(fā)生機(jī)理可知，溫度上升，導(dǎo)致管子HFE增大，開關(guān)性能變差，二次擊穿特性變差（更容易發(fā)生二次擊穿）；溫度的升高，也使得管子的實(shí)際耗散功率參數(shù)變差，管子的安全工作區(qū)變小了。反過來，由于管子的耗散功率主要和管子的熱阻有關(guān)，耗散功率小，實(shí)際上也就是其所能承受的電流電壓低，散熱性能差，同樣也影響到了二次擊穿特性。因此，防止工作時(shí)管子溫升過高、提高管子的耗散功率，是提高管子質(zhì)量的最有效辦法。 1)熱阻

管子工作中，當(dāng)PN結(jié)溫度超過允許最高結(jié)溫時(shí)，管子消耗的功率就是管子的集電極最大耗散功率。由于一定材料的最高結(jié)溫是一定的，因此，提高管子的散熱性能，就是提高管子的耗散功率，同時(shí)，散熱性能好，管子的溫升就低，也降低了二次擊穿的可能性，這是提高二次擊穿特性的重要因素。

熱阻作為大功率管的一個(gè)重要參數(shù)，代表了管子的散熱能力。熱阻與耗散功率的關(guān)系為：

Pcm=(Tjm－Ta)/RT

其中Tjm為最高結(jié)溫，Ta為環(huán)境溫度，RT為熱阻?？梢?，當(dāng)最高結(jié)溫和環(huán)境溫度一定時(shí)，耗散功率的大小取決于熱阻的大小。

在節(jié)能燈產(chǎn)品中，應(yīng)選用熱阻盡可能低的管子。除了芯片本身之外，后工序裝配的材料、工藝和質(zhì)量對(duì)熱阻的影響非常大。對(duì)管子進(jìn)行熱阻的測試篩選，是保證節(jié)能燈功率管質(zhì)量的基本要求。

2)開關(guān)參數(shù)

典型的節(jié)能燈線路工作時(shí)，兩只管子輪流工作于飽和和截止?fàn)顟B(tài)，因此管子的開關(guān)參數(shù)對(duì)其工作情況有重大的影響。管子的開關(guān)參數(shù)有4個(gè)：延遲時(shí)間td、上升時(shí)間tr、儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf。如圖4所示的三級(jí)管開關(guān)波形圖，管子由截止到飽和時(shí)，過渡時(shí)間受延遲時(shí)間和上升時(shí)間的影響，由飽和到截止時(shí)，過渡時(shí)間受存儲(chǔ)時(shí)間和下降時(shí)間的影響。管子在不同工作狀態(tài)時(shí)消耗的功率為：

截止時(shí)：P=Vce·Icex

飽和時(shí)：P=Vces·Ic

由于三級(jí)管的反向漏電流Icex和飽和壓降Vces都很低，因此，飽和和截止時(shí)，管子的消耗功率并不大，但在兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程中，管子有一部分時(shí)間工作于放大區(qū)，此時(shí)的電流電壓均較大，處于放大區(qū)的時(shí)間越長，從而消耗功率也越大，溫度也就升高越多。

由波形圖可看出，影響管子處于放大區(qū)的開關(guān)參數(shù)主要是上升時(shí)間和下降時(shí)間。因此，應(yīng)選用上升時(shí)間和下降時(shí)間盡可能短的管子。

另一方面，由于節(jié)能燈的兩只管子輪流工作于飽和和截止?fàn)顟B(tài)，開關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系也很重要。除延遲時(shí)間外，如果儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間的和比上升時(shí)間大太多，則兩個(gè)管子同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)的機(jī)會(huì)就大，也會(huì)導(dǎo)致不良的結(jié)果。同樣，兩個(gè)管子的開關(guān)參數(shù)的一致性也非常重要。 因?yàn)槿龢O管的開關(guān)時(shí)間中，儲(chǔ)存時(shí)間ts最長，因此其影響也最大。應(yīng)盡量選用儲(chǔ)存時(shí)間短的管子，同時(shí)要求儲(chǔ)存時(shí)間一致性盡量好。

3)高溫漏電流

在上面的說明中，我們知道管子工作在截止?fàn)顟B(tài)時(shí)的功耗主要由反向漏電流Icex決定。常溫下，Icex一般很小，因此，管子的截止功率并不大，但當(dāng)工作后溫度升高后，Icex變大，則其消耗功率也變大，直至影響到正常的工作。另一方面，反向漏電流的增大使得PN結(jié)擊穿特性變軟，也使管子變得易于燒毀。因此，高溫漏電流也是影響管子質(zhì)量的重要參數(shù)。

硅三極管的ce反向漏電為：

Iceo=（1＋?）Icbo≈（1＋?）Ae×Ni×XMG/2τ

其隨溫度的變化主要與材料和工藝有關(guān)。在管子的測試中，常以不同溫度（高溫和常溫）下的漏電流變化△Iceo作為指標(biāo)進(jìn)行挑選，要求△Iceo盡可能的小。

4)其它

功率開關(guān)三極管的其他參數(shù)，也與其使用有關(guān)。hFE也是經(jīng)常考慮的因素之一。其對(duì)管子質(zhì)量的影響，也體現(xiàn)在對(duì)開關(guān)時(shí)間的影響，其重要性相對(duì)沒有開關(guān)參數(shù)影響那么大。除此之外，Icm和BVceo也是常?？紤]的因素。

上面對(duì)節(jié)能燈大功率開關(guān)管的失效機(jī)理分析，以及由此得出的參數(shù)選用要求，經(jīng)過我們的大量分組試驗(yàn)，證明與實(shí)際情況相符。華汕電子器件有限公司在相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)方面也據(jù)此采取相應(yīng)的措施，并在實(shí)際應(yīng)用上取得了良好的效果，滿足了國內(nèi)客戶的要求，迅速為市場所接受。