半导体晶体管电路设计须知（一）

而在264 V输入电压下， 辐照后关断损耗只有较小幅度的减小， 因此总损耗基本不变， 系统效率也没有改善。如图4 和图5 分别为未经辐照的APT13003E 在85 V 和264 V输入电压下基极电流、集电极电压和电流的波形。比较图4和图5中可以看出， 在264 V 输入电压条件下导通时集电极电流的尖峰比起85 V 时要大很多， 这是因为导通时变压器寄生电容充电电压增大了2. 1倍， 但充电时间只增加了约0. 6倍， 所以充电电流就会大大增加， 这也导致了APT13003E 的导通损耗由85 V 下的0. 016W 变为264 V下的0. 183W, 此时导通损耗占了总的损耗的大部分， 而电子辐照对导通损耗并没有改善; 另一方面， 在APT13003E 关断时， 集电极电压并没有直接降到0, 而是先经过一个近100 ns的电流“ 尾巴”之后， 才又下降到0, 此时集电极电压已经比较大了， 因此这个电流“尾巴”所造成的损耗占关断损耗的比例较大。产生这个“尾巴”的原因是， 关断开关晶体管时， 由于管子的基区比较薄， 过大的基极电流引起较大的基区电位差， 使VBE 为负的情况下发射结局部正向偏置， 集电极电流迟迟降不下来。

　　图4 85 V交流输入电压下APT13003E基极电流、集电极电压、集电极电流波形图

　　图5 264 V 交流输入电压下APT13003E 基极电流、集电极电压、集电极电流波形图

　　而经过电子辐照后的APT13003E, 其集电极电流的这个“尾巴”并没有减小， 所以造成了辐照后的APT13003E 的关断损耗并没有大幅的降低， 因此系统的效率并没有改善。我们一方面可以优化基极驱动电路， 使关断初始时基极反向电流不至于太大， 避免产生电流“尾巴”, 而关断的最后阶段突增反向基极电流， 则在高输入电压下， 系统的效率就会有所提高; 另一方面， 通过分段绕制、使用介电常数小的绝缘材料、适当增加绝缘层厚度和静电屏蔽等方法， 降低变压器的寄生电容， 降低开关晶体管的导通损耗，系统效率也将提高。

4 电子辐照管与钳位型开关管的比较

　　采用钳位型开关晶体管也能降低开关晶体管的关断延时， 其原理是通过钳位电路使VBC在晶体管导通时不能增加到深饱和所需的0. 7 V, 这样注入集电结两侧的少子很少， 使超量储存电荷很少， 这样储存时间大大缩短。采用钳位型开关晶体管主要有两种， 一种是在集电结并联肖特基二极管的晶体管，由于在高温下漏电电流较大， 其ts - Vcesat的Trade??o ff关系最差， 目前应用较少。另一种是横向PNP钳位型晶体管， 其结构图如图6所示， 它在高温下漏电较小， 能得到较好的Trade-off关系，电流放大系数基本不变， 目前得到了越来越多的应用， 如吉林华微电子股份有限公司研发的产品3DD13003A 就采用了这种结构。

　　图6横向PNP钳位型晶体管结构图

　　表3是AP3765序列充电器中采用经过10 kGy电子辐照的APT13003E 及3DD13003A 在85 V 和230 V 输入电压下输出负载电流分别是0. 15 A、0.30 A、0. 45 A、0. 60 A 系统平均效率的结果。从表3中可以看出， 10 kGy电子辐照后的APT13003E的效率与3DD13003A 的效率基本相同。

　　表3 AP3765充电器采用以下三种开关晶体管系统效率的比较

　　采用电子辐照工艺方法简单， 成本很低， 辐照后将使得开关晶体管的反向击穿电压增大， 使开关晶体管的可靠性增加， 特征频率基本不变， 其缺点是电流放大系数降低， 在大功率应用时可能会无法正常导通， 因此主要应用于中小功率开关电路中。而横向PNP钳位型开关晶体管对电流放大系数基本没有影响， 由于在侧面增加了一个pn 结， 所以晶体管面积和结电容会增加， 减小了晶体管的特征频率， 但不能提高反向击穿电压， 可以应用在双极数字电路和中小功率开关电路中。

　　5 结论

　　在较高交流输入电压下由于变压器寄生电容充电造成导通损耗过大及关断阶段集电极电流“尾巴”的存在， 使得系统效率没有改善。由于电子辐照使得导通损耗和通态损耗增加， 因此只有采用合适的电子辐照剂量才能使系统效率得到最大的提高。采用合适的电子辐照剂量的开关晶体管与采用横向PNP钳位型晶体管的开关电源系统效率基本相同。