節能燈功率管失效原理研究

1引言

節能燈作為一種環保型的電源，在全世界得到了廣泛的應用，國內節能燈的生產更是一枝獨秀。作為節能燈（包括電子鎮流器）的重要部件，大功率開關三極管的質量對節能燈的質量和壽命起著關鍵的作用。目前市場上除了仙童、ST等幾個進口品牌外，國內的節能燈功率管質量都不夠穩定。本文就大功率開關三極管在節能燈應用中的失效機理作出分析，并對影響失效的因素進行探討。

2失效模式

節能燈損壞、壽命短的主要原因是大功率開關三極管的失效。通過對失效功率管的解剖分析，絕大多數失效管屬發射結燒毀短路。用顯微鏡觀察解剖的失效管子時，可以見到在發射區焊位附近有明顯的燒毀發黑斑點（參見圖1）。這是典型的燒毀現象。

三極管工作時，由于電流熱效應，會消耗一定的功率，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結的正向電流與溫度的關系為：

I∝e－(Eg－qV)/kT

當三極管工作時，耗散功率轉化為熱，使集電結結溫升高，集電結結電流進一步加大，會造成惡性循環使管子燒毀。這種情況叫熱擊穿。使管子不發生熱擊穿的最高工作溫度定義為最高結溫。硅材料PN結的最高結溫是：

Tjm=6400/(10.45＋lnρ)

另一種情況，當管子未達到最高結溫時，或者未超過最大耗散功率時，由于材料的缺陷和工藝的不均勻性，以及結構原因造成的發射區電流加緊效應，使得三極管的工作電流分布不均勻。當電流分布集中在某一點時，該點的功耗增加，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一步增大，從而形成“過熱點”，其溫度若超過金屬電極與半導體的共熔點，造成三極管燒毀。另一方面，局部的溫升和大電流密度會引起局部的雪崩（擊穿），此時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。由于使用時工作電流和最大電壓的設計都不會超過管子的額定值，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

從上面的失效機理分析可知，為減少失效，重要的是要盡量降低管子工作時的功率、改善二次擊穿特性，這兩者其實是相關的。由二次擊穿的發生機理可知，溫度上升，導致管子HFE增大，開關性能變差，二次擊穿特性變差（更容易發生二次擊穿）；溫度的升高，也使得管子的實際耗散功率參數變差，管子的安全工作區變小了。反過來，由于管子的耗散功率主要和管子的熱阻有關，耗散功率小，實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，防止工作時管子溫升過高、提高管子的耗散功率，是提高管子質量的最有效辦法。 1)熱阻

管子工作中，當PN結溫度超過允許最高結溫時，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，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重要參數，代表了管子的散熱能力。熱阻與耗散功率的關系為：

Pcm=(Tjm－Ta)/RT

其中Tjm為最高結溫，Ta為環境溫度，RT為熱阻。可見，當最高結溫和環境溫度一定時，耗散功率的大小取決于熱阻的大小。

在節能燈產品中，應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、工藝和質量對熱阻的影響非常大。對管子進行熱阻的測試篩選，是保證節能燈功率管質量的基本要求。

2)開關參數

典型的節能燈線路工作時，兩只管子輪流工作于飽和和截止狀態，因此管子的開關參數對其工作情況有重大的影響。管子的開關參數有4個：延遲時間td、上升時間tr、儲存時間ts和下降時間tf。如圖4所示的三級管開關波形圖，管子由截止到飽和時，過渡時間受延遲時間和上升時間的影響，由飽和到截止時，過渡時間受存儲時間和下降時間的影響。管子在不同工作狀態時消耗的功率為：

截止時：P=Vce·Icex

飽和時：P=Vces·Ic

由于三級管的反向漏電流Icex和飽和壓降Vces都很低，因此，飽和和截止時，管子的消耗功率并不大，但在兩種狀態的轉換過程中，管子有一部分時間工作于放大區，此時的電流電壓均較大，處于放大區的時間越長，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的開關參數主要是上升時間和下降時間。因此，應選用上升時間和下降時間盡可能短的管子。

另一方面，由于節能燈的兩只管子輪流工作于飽和和截止狀態，開關參數之間的關系也很重要。除延遲時間外，如果儲存時間和下降時間的和比上升時間大太多，則兩個管子同時處于導通狀態的機會就大，也會導致不良的結果。同樣，兩個管子的開關參數的一致性也非常重要。 因為三極管的開關時間中，儲存時間ts最長，因此其影響也最大。應盡量選用儲存時間短的管子，同時要求儲存時間一致性盡量好。

3)高溫漏電流

在上面的說明中，我們知道管子工作在截止狀態時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量的重要參數。

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。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作為指標進行挑選，要求△Iceo盡可能的小。

4)其它

功率開關三極管的其他參數，也與其使用有關。hFE也是經常考慮的因素之一。其對管子質量的影響，也體現在對開關時間的影響，其重要性相對沒有開關參數影響那么大。除此之外，Icm和BVceo也是常常考慮的因素。

上面對節能燈大功率開關管的失效機理分析，以及由此得出的參數選用要求，經過我們的大量分組試驗，證明與實際情況相符。華汕電子器件有限公司在相關產品的生產方面也據此采取相應的措施，并在實際應用上取得了良好的效果，滿足了國內客戶的要求，迅速為市場所接受。