3 系統測試結果
將四組不同的APT13003E 開關晶體管放入同一個使用BCD半導體公司研發的AP3765充電器系統中， 該充電器的功率是3W, 輸入交流電壓范圍是85V ~ 264 V, 輸出直流電壓是5 V.圖3所示為85 V、115 V、230 V 和264 V 交流輸入電壓下， 使用電子輻照后的APT13003E 與常規的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)下的系統平均效率增加值。
圖3 電子輻照后的APT13003E與常規的APT13003E在各個交流輸入電壓下系統平均效率增加百分比
從圖3 中可以看到， 在較低的交流輸入電壓(如85 V和115 V )下， 使用輻照后的APT13003E比使用未輻照的APT13003E 系統效率都有所提高， 而在較高交流輸入電壓下(如230 V 和264 V )， 輻照后的APT13003E 未能使系統效率提高。在85 V 交流輸入電壓下， 輻照劑量為10 kGy 的APT13003E的性能最好， 開關晶體管的總損耗由0. 209W 降低到0. 121W, 降低了42% , 使得系統整體效率提高了2. 1% , 若該開關晶體管采用TO - 92封裝， 這將使開關晶體管的結溫降低約11 ℃ ; 在115 V交流電壓下， 系統的整體效率也提高了約1. 4%, 開關晶體管的結溫將降低約7℃, 這就有效地提高開關晶體管的可靠性， 降低了開關電源的損耗。
當輻照劑量進一步增加到15 kGy后， 系統效率提高的幅度反而降低， 因此要獲得最佳的系統效率，需要采用最合適的輻照劑量。
我們對85 V 和264 V 交流輸入電壓， 輸出電流為0. 45 A 條件下四組APT13003E的集電極電壓電流波形進行了測試， 分析了開關晶體管工作的各個階段的損耗， 結果如表2所示， tON表示導通延時， toff表示關斷延時， Tw 為開關周期， P in為充電器輸入功率， P los STot為開關晶體管總的損耗， P loss tot /P in為開關晶體管損耗占系統輸入功率的百分比。
表2 四組APT13003E在充電器系統中各個階段的損耗分析
從表2中可以看出， 在85 V 交流輸入電壓下，輻照之后的APT13003E 比未輻照的APT13003E 的關斷延時有了大幅的減小， 因此關斷損耗大幅的減小， 如輻照為10 kGy的管子的關斷損耗減小為未輻照管子的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、通態損耗的增加與關斷損耗的減小是一對矛盾， 因此必須選擇合適的輻照劑量， 才能使開關晶體管總的損耗最小。
而在264 V輸入電壓下， 輻照后關斷損耗只有較小幅度的減小， 因此總損耗基本不變， 系統效率也沒有改善。如圖4 和圖5 分別為未經輻照的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， 但充電時間只增加了約0. 6倍， 所以充電電流就會大大增加， 這也導致了APT13003E 的導通損耗由85 V 下的0. 016W 變為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并沒有改善; 另一方面， 在APT13003E 關斷時， 集電極電壓并沒有直接降到0, 而是先經過一個近100 ns的電流“ 尾巴”之后， 才又下降到0, 此時集電極電壓已經比較大了， 因此這個電流“尾巴”所造成的損耗占關斷損耗的比例較大。產生這個“尾巴”的原因是， 關斷開關晶體管時， 由于管子的基區比較薄， 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
而經過電子輻照后的APT13003E, 其集電極電流的這個“尾巴”并沒有減小， 所以造成了輻照后的APT13003E 的關斷損耗并沒有大幅的降低， 因此系統的效率并沒有改善。我們一方面可以優化基極驅動電路， 使關斷初始時基極反向電流不至于太大， 避免產生電流“尾巴”, 而關斷的最后階段突增反向基極電流， 則在高輸入電壓下， 系統的效率就會有所提高; 另一方面， 通過分段繞制、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， 降低開關晶體管的導通損耗，系統效率也將提高。
4 電子輻照管與鉗位型開關管的比較
采用鉗位型開關晶體管也能降低開關晶體管的關斷延時， 其原理是通過鉗位電路使VBC在晶體管導通時不能增加到深飽和所需的0. 7 V, 這樣注入集電結兩側的少子很少， 使超量儲存電荷很少， 這樣儲存時間大大縮短。采用鉗位型開關晶體管主要有兩種， 一種是在集電結并聯肖特基二極管的晶體管，由于在高溫下漏電電流較大， 其ts - Vcesat的Trade??o ff關系最差， 目前應用較少。另一種是橫向PNP鉗位型晶體管， 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關系，電流放大系數基本不變， 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品3DD13003A 就采用了這種結構。
圖6橫向PNP鉗位型晶體管結構圖
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 系統平均效率的結果。從表3中可以看出， 10 kGy電子輻照后的APT13003E的效率與3DD13003A 的效率基本相同。
表3 AP3765充電器采用以下三種開關晶體管系統效率的比較
采用電子輻照工藝方法簡單， 成本很低， 輻照后將使得開關晶體管的反向擊穿電壓增大， 使開關晶體管的可靠性增加， 特征頻率基本不變， 其缺點是電流放大系數降低， 在大功率應用時可能會無法正常導通， 因此主要應用于中小功率開關電路中。而橫向PNP鉗位型開關晶體管對電流放大系數基本沒有影響， 由于在側面增加了一個pn 結， 所以晶體管面積和結電容會增加， 減小了晶體管的特征頻率， 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電路中。
5 結論
在較高交流輸入電壓下由于變壓器寄生電容充電造成導通損耗過大及關斷階段集電極電流“尾巴”的存在， 使得系統效率沒有改善。由于電子輻照使得導通損耗和通態損耗增加， 因此只有采用合適的電子輻照劑量才能使系統效率得到最大的提高。采用合適的電子輻照劑量的開關晶體管與采用橫向PNP鉗位型晶體管的開關電源系統效率基本相同。#p#分頁標題#e#
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