开关电源中电子辐照对功率双极晶体管损耗分析

功率双极晶体管由于其低廉的成本，在开关电源中作为功率开关管得到了广泛的应用。应用电子辐照技术可以减小少子寿命， 降低功率双极晶体管的储存时间、下降时间， 提高开关速度， 且一致性、重复性好， 成品率高， 这是高反压功率开关晶体管传统制造工艺无法比拟的。为了降低功率双极晶体管的损耗，本文采用了10 MeV 电子辐照来减小其关断延迟时间， 提高开关电源转换效率。

通过在功率双极晶体管中加入钳位电路使得晶体管不能达到深饱和也能降低关断延时和关断损耗，本文也对电子辐照双极晶体管和钳位型双极晶体管进行了比较。

本文实验中采用的开关电源为BCD 半导体公司研发的3765序列充电器，采用的功率双极晶体管是BCD半导体公司提供的APT13003E, 它被广泛应用于电子镇流器、电池充电器及电源适配器等功率开关电路中。

1 开关电源中开关晶体管的损耗

图1所示为一个典型的反激式开关电源示意图。在示意图中， 开关晶体管Q1 的集电极连接变压器T1.当控制器驱动为高电平时， Q1 导通， 能量存储到变压器T1 中。当控制器驱动为低电平时， Q1关断， 能量通过变压器T1 释放到后端。图2所示为开关晶体管开关过程中集电极电压和电流的波形示意图。

关晶体管在工作过程中的损耗分为开关损耗和稳态损耗， 其中开关损耗包括导通损耗和关断损耗， 稳态损耗包括通态损耗和截止损耗， 其中截止损耗占总的损耗的比率很小，可以忽略不计。我们把Vce由90% Vindc降到110% Vcesat所用的时间定义为导通延时， 即图2中的t1 - t0, 把IC 由90% Icmax下降到0所用的时间定义为关断延时， 即t3 - t2。在开关晶体管开通时， 集电极电压在控制器驱动电压为高时， 基极电流变大， 集电极电压由Vindc下降为0, 此时由于变压器与原边并联的寄生电容两端的电压差也从0变为Vindc, 寄生电容充电， 因此在开关晶体管集电极产生一个尖峰电流， 另一方面， 如果副边整流二极管的反向恢复电流没有降到0, 也会进一步加大这个尖峰电流。开关晶体管出现集电极电压和电流交替现象， 产生导通损耗， 直到集电极电压降到Vcesat.导通损耗可以表示为：

在晶体管导通后， 集电极电流从0逐渐变大， 而Vcesat不为0, 因此产生通态损耗。通态损耗可以表示为：

在开关晶体管关断时， 集电极电流不能马上降为0, 而集电极电压已经从Vcesat开始上升， 在开关晶体管上产生电压电流交替现象， 从而产生关断损耗。

由于变压器是电感元件， 当开关突然关断时， 变压器电感元件电流不能突变， 会产生较大的反激电压， 阻碍电流变化， 通过电路加在开关管上， 产生比较大的损耗。关断损耗可以表示为：

开关管总的损耗可以表示为：

一般情况下， 关断损耗在开关损耗中占的比率最大， 而关断损耗跟开关晶体管的关断延迟时间有关， 减小关断延迟时间( t3 - t2 )， 加快集电极电流下降速度， 可以降低开关晶体管的总损耗。

2 电子辐照实验

电子辐照能在硅中引入多种深能级， 这些能级将根据其在禁带中的位置， 对电子空穴俘获截面的大小以及能级密度的大小等均对非平衡载流子的复合起贡献，从而引起少子寿命、载流子浓度的降低，因此影响了与少子寿命有关的一些参数， 如晶体管的开关时间、电流放大系数( hFE )等。实验中我们把未经封装的功率双极晶体管APT13003E 圆片分为四组， 其中第一组作为对照组，不做辐照处理， 其余三组经过10M eV 的电子辐照， 辐照剂量分别为5 kGy、10 kGy、15 kGy, 辐照完成后， 经过200℃2 h的 高温退火处理， 然后四组圆片经过封装后成为成品。表1是四组晶体管的FT测试结果。

表1 四组APT13003E 的FT测试结果

从表1中我们可以看到， 经过辐照后， 储存时间ts 随着辐照剂量的增大有很大幅度的减小，下降时间tf 有所减小， 上升时间tr 有所增加; 电流放大系数随着辐照剂量的增加而下降; 饱和压降和击穿电压HBVceo随辐照剂量的增大而增大。

3 系统测试结果

将四组不同的APT13003E 开关晶体管放入同一个使用BCD半导体公司研发的AP3765充电器系统中， 该充电器的功率是3W, 输入交流电压范围是85V ~ 264 V, 输出直流电压是5 V.图3所示为85 V、115 V、230 V 和264 V 交流输入电压下， 使用电子辐照后的APT13003E 与常规的APT13003E在输出负载电流分别是0. 15 A、0. 30 A、0. 45 A、0. 60 A(即25%、50%、75%、100%负载)下的系统平均效率增加值。

图3 电子辐照后的APT13003E与常规的APT13003E在各个交流输入电压下系统平均效率增加百分比

从图3 中可以看到， 在较低的交流输入电压(如85 V和115 V )下， 使用辐照后的APT1