3 係統測試結果

　　將四組不同的APT13003E 開關(guan) 晶體(ti) 管放入同一個(ge) 使用BCD半導體(ti) 公司研發的AP3765充電器係統中， 該充電器的功率是3W, 輸入交流電壓範圍是85V ~ 264 V, 輸出直流電壓是5 V.圖3所示為(wei) 85 V、115 V、230 V 和264 V 交流輸入電壓下， 使用電子輻照後的APT13003E 與(yu) 常規的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)下的係統平均效率增加值。

　　圖3 電子輻照後的APT13003E與(yu) 常規的APT13003E在各個(ge) 交流輸入電壓下係統平均效率增加百分比

　　從(cong) 圖3 中可以看到， 在較低的交流輸入電壓(如85 V和115 V )下， 使用輻照後的APT13003E比使用未輻照的APT13003E 係統效率都有所提高， 而在較高交流輸入電壓下(如230 V 和264 V )， 輻照後的APT13003E 未能使係統效率提高。在85 V 交流輸入電壓下， 輻照劑量為(wei) 10 kGy 的APT13003E的性能最好， 開關(guan) 晶體(ti) 管的總損耗由0. 209W 降低到0. 121W, 降低了42% , 使得係統整體(ti) 效率提高了2. 1% , 若該開關(guan) 晶體(ti) 管采用TO - 92封裝， 這將使開關(guan) 晶體(ti) 管的結溫降低約11 ℃ ; 在115 V交流電壓下， 係統的整體(ti) 效率也提高了約1. 4%, 開關(guan) 晶體(ti) 管的結溫將降低約7℃, 這就有效地提高開關(guan) 晶體(ti) 管的可靠性， 降低了開關(guan) 電源的損耗。

　　當輻照劑量進一步增加到15 kGy後， 係統效率提高的幅度反而降低， 因此要獲得最佳的係統效率，需要采用最合適的輻照劑量。

　　我們(men) 對85 V 和264 V 交流輸入電壓， 輸出電流為(wei) 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(guan) 晶體(ti) 管工作的各個(ge) 階段的損耗， 結果如表2所示， tON表示導通延時， toff表示關(guan) 斷延時， Tw 為(wei) 開關(guan) 周期， P in為(wei) 充電器輸入功率， P los STot為(wei) 開關(guan) 晶體(ti) 管總的損耗， P loss tot /P in為(wei) 開關(guan) 晶體(ti) 管損耗占係統輸入功率的百分比。

　　表2 四組APT13003E在充電器係統中各個(ge) 階段的損耗分析

　　從(cong) 表2中可以看出， 在85 V 交流輸入電壓下，輻照之後的APT13003E 比未輻照的APT13003E 的關(guan) 斷延時有了大幅的減小， 因此關(guan) 斷損耗大幅的減小， 如輻照為(wei) 10 kGy的管子的關(guan) 斷損耗減小為(wei) 未輻照管子的1 /6; 導通延時有所增加， 但增加的幅度較小， 導通損耗有較小的增加; 飽和壓降隨輻照劑量的增加而增加， 因此通態損耗隨輻照劑量的增加而增加。開通損耗、通態損耗的增加與(yu) 關(guan) 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(guan) 晶體(ti) 管總的損耗最小。

　　而在264 V輸入電壓下， 輻照後關(guan) 斷損耗隻有較小幅度的減小， 因此總損耗基本不變， 係統效率也沒有改善。如圖4 和圖5 分別為(wei) 未經輻照的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 輸入電壓條件下導通時集電極電流的尖峰比起85 V 時要大很多， 這是因為(wei) 導通時變壓器寄生電容充電電壓增大了2. 1倍， 但充電時間隻增加了約0. 6倍， 所以充電電流就會(hui) 大大增加， 這也導致了APT13003E 的導通損耗由85 V 下的0. 016W 變為(wei) 264 V下的0. 183W, 此時導通損耗占了總的損耗的大部分， 而電子輻照對導通損耗並沒有改善; 另一方麵， 在APT13003E 關(guan) 斷時， 集電極電壓並沒有直接降到0, 而是先經過一個(ge) 近100 ns的電流“ 尾巴”之後， 才又下降到0, 此時集電極電壓已經比較大了， 因此這個(ge) 電流“尾巴”所造成的損耗占關(guan) 斷損耗的比例較大。產(chan) 生這個(ge) “尾巴”的原因是， 關(guan) 斷開關(guan) 晶體(ti) 管時， 由於(yu) 管子的基區比較薄， 過大的基極電流引起較大的基區電位差， 使VBE 為(wei) 負的情況下發射結局部正向偏置， 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

　　而經過電子輻照後的APT13003E, 其集電極電流的這個(ge) “尾巴”並沒有減小， 所以造成了輻照後的APT13003E 的關(guan) 斷損耗並沒有大幅的降低， 因此係統的效率並沒有改善。我們(men) 一方麵可以優(you) 化基極驅動電路， 使關(guan) 斷初始時基極反向電流不至於(yu) 太大， 避免產(chan) 生電流“尾巴”, 而關(guan) 斷的最後階段突增反向基極電流， 則在高輸入電壓下， 係統的效率就會(hui) 有所提高; 另一方麵， 通過分段繞製、使用介電常數小的絕緣材料、適當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(guan) 晶體(ti) 管的導通損耗，係統效率也將提高。

4 電子輻照管與(yu) 鉗位型開關(guan) 管的比較

　　采用鉗位型開關(guan) 晶體(ti) 管也能降低開關(guan) 晶體(ti) 管的關(guan) 斷延時， 其原理是通過鉗位電路使VBC在晶體(ti) 管導通時不能增加到深飽和所需的0. 7 V, 這樣注入集電結兩(liang) 側(ce) 的少子很少， 使超量儲(chu) 存電荷很少， 這樣儲(chu) 存時間大大縮短。采用鉗位型開關(guan) 晶體(ti) 管主要有兩(liang) 種， 一種是在集電結並聯肖特基二極管的晶體(ti) 管，由於(yu) 在高溫下漏電電流較大， 其ts - Vcesat的Trade??o ff關(guan) 係最差， 目前應用較少。另一種是橫向PNP鉗位型晶體(ti) 管， 其結構圖如圖6所示， 它在高溫下漏電較小， 能得到較好的Trade-off關(guan) 係，電流放大係數基本不變， 目前得到了越來越多的應用， 如吉林華微電子股份有限公司研發的產(chan) 品3DD13003A 就采用了這種結構。

　　圖6橫向PNP鉗位型晶體(ti) 管結構圖

　　表3是AP3765序列充電器中采用經過10 kGy電子輻照的APT13003E 及3DD13003A 在85 V 和230 V 輸入電壓下輸出負載電流分別是0. 15 A、0.30 A、0. 45 A、0. 60 A 係統平均效率的結果。從(cong) 表3中可以看出， 10 kGy電子輻照後的APT13003E的效率與(yu) 3DD13003A 的效率基本相同。

　　表3 AP3765充電器采用以下三種開關(guan) 晶體(ti) 管係統效率的比較

　　采用電子輻照工藝方法簡單， 成本很低， 輻照後將使得開關(guan) 晶體(ti) 管的反向擊穿電壓增大， 使開關(guan) 晶體(ti) 管的可靠性增加， 特征頻率基本不變， 其缺點是電流放大係數降低， 在大功率應用時可能會(hui) 無法正常導通， 因此主要應用於(yu) 中小功率開關(guan) 電路中。而橫向PNP鉗位型開關(guan) 晶體(ti) 管對電流放大係數基本沒有影響， 由於(yu) 在側(ce) 麵增加了一個(ge) pn 結， 所以晶體(ti) 管麵積和結電容會(hui) 增加， 減小了晶體(ti) 管的特征頻率， 但不能提高反向擊穿電壓， 可以應用在雙極數字電路和中小功率開關(guan) 電路中。

　　5 結論

　　在較高交流輸入電壓下由於(yu) 變壓器寄生電容充電造成導通損耗過大及關(guan) 斷階段集電極電流“尾巴”的存在， 使得係統效率沒有改善。由於(yu) 電子輻照使得導通損耗和通態損耗增加， 因此隻有采用合適的電子輻照劑量才能使係統效率得到最大的提高。采用合適的電子輻照劑量的開關(guan) 晶體(ti) 管與(yu) 采用橫向PNP鉗位型晶體(ti) 管的開關(guan) 電源係統效率基本相同。#p#分頁標題#e#