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節(jié)能燈和電子整流器用的三極管參數(shù)選擇指南
過去，人們對用于節(jié)能燈、電子鎮(zhèn)流器三極管參數(shù)的要求定位是不清晰的。除了BVceo、BVcbo、Iceo、hFE、Vces、Ic等常規(guī)參數(shù)要求之外，低頻管只有特征頻率的要求(一般在幾兆數(shù)量級)。但是，特征頻率是對正弦波線性放大的要求，與開關(guān)工作狀態(tài)下三極管開關(guān)參數(shù)不是一個概念。另外，由于認識水平和國內(nèi)硬件條件的限制，妨礙了人們對燈用三極管的參數(shù)進行有效的控制和鑒別。本文試圖將節(jié)能燈和電子鎮(zhèn)流器用三極管的選擇做一些總結(jié)，以便充分了解應(yīng)用過程中三極管的損壞機制。
完整的功率容限曲線
降低三極管的發(fā)熱損耗
放大倍數(shù)hFE和貯存時間ts
完整的功率容限曲線
功率容限(SOA)是一個曲線包圍的區(qū)域(圖1)，當加在三極管上的電壓、電流坐標值超過曲線范圍時，三極管將發(fā)生功率擊穿而損壞。在實際應(yīng)用中，某些開關(guān)電源線路負載為感性，三極管關(guān)斷后，電感負載產(chǎn)生的自感電勢反峰電壓加在三極管的CE極之間，三極管必須有足夠的SOA、BVceo和BVcbo值才能承受這樣的反壓。
必須注意：目前一般三極管使用廠家不具備測試SOA的條件，即使是有條件的半導(dǎo)體三極管生產(chǎn)廠家，具備測試該指標的能力，但是儀器測試出的往往只是安全工作區(qū)邊界點上的數(shù)值，而不是SOA曲線的全部。這樣就有可能出現(xiàn)：在一點上SOA值完全一樣的兩對三極管，實際線路上使用過程中，一對三極管損壞了，而另外一對卻沒有損壞。
因此，在選擇燈用三極管的過程中，一定要找到器件生產(chǎn)廠家提供的完整SOA曲線。
降低三極管的發(fā)熱損耗
目前，節(jié)能燈、電子鎮(zhèn)流器普遍采用上下管輪流導(dǎo)通工作的線路，電感負載產(chǎn)生的自感電勢反峰電壓經(jīng)由導(dǎo)通管泄放，所以普遍感到三極管常溫下SOA值在節(jié)能燈、電子鎮(zhèn)流器線路中不十分敏感。而降低三極管的發(fā)熱損耗卻引起了業(yè)界的普遍關(guān)注，這是因為三極管的二次擊穿容限是隨著溫度的升高而降低的(圖2)。
三極管在電路中工作一段時間以后，線路元器件會發(fā)熱(包括管子本身的發(fā)熱)，溫度不斷上升導(dǎo)致三極管hFE增大，開關(guān)性能變差，二次擊穿特性下降。反過來，進一步促使管子發(fā)熱量增大，這樣的惡性循環(huán)最終導(dǎo)致三極管擊穿燒毀。因此，降低三極管本身的發(fā)熱損耗是提高三極管使用可靠性的重要措施。
實驗表明：晶體管截止狀態(tài)的功耗很小；導(dǎo)通狀態(tài)的耗散占一定比例，但變化余地不大。晶體管耗散主要發(fā)生在由飽和向截止和由截止向飽和的過渡時期，而且與線路參數(shù)的選擇及三極管的上升時間tr、下降時間tf有很大關(guān)系。
最近幾年，業(yè)界推出的節(jié)能燈和電子鎮(zhèn)流器專用三極管都充分注意到降低產(chǎn)品的開關(guān)損耗，例如，國產(chǎn)BUL6800系列產(chǎn)品在優(yōu)化MJE13000系列產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，大幅提高了產(chǎn)品的開關(guān)損耗性能。
此外，控制磁環(huán)參數(shù)也有利于控制損耗。因為磁環(huán)參數(shù)的變化會引起三極管Ib的變化，影響三極管上升和下降時間。三極管過驅(qū)動可以造成三極管嚴重發(fā)熱燒毀，而三極管驅(qū)動不足，則可能造成三極管冷態(tài)啟動時瞬時擊穿損壞。
放大倍數(shù)hFE和貯存時間ts
三極管的hFE參數(shù)與貯存時間ts相關(guān)，一般hFE大的三極管ts也較大，過去人們對ts的認識以及ts的測量儀器均較為欠缺，人們更依賴hFE參數(shù)來選擇三極管。
在開關(guān)狀態(tài)下，hFE的選擇通常有以下認識：第一、hFE應(yīng)盡可能高，以便用最少的基極電流得到最大的工作電流，同時給出盡可能低的飽和電壓，這樣就可以同時在輸出和驅(qū)動電路中降低損耗。但是，如果考慮到開關(guān)速度和電流容限，則hFE的最大值就受到限制；第二、中國的廠家曾經(jīng)傾向于選用hFE較小的器件，例如hFE為10到15，甚至8到10的三極管就一度很受歡迎(后來，由于基極回路流行采用電容觸發(fā)線路，hFE的數(shù)值有所上升)，hFE的數(shù)值小則飽和深度小，從而有利于降低晶體管的發(fā)熱。
實際上，晶體管的飽和深度受到Ib、hFE兩個因素的影響，因而通過磁環(huán)及繞組參數(shù)、基極電阻 Rb的調(diào)整，也可以降低飽和深度。
目前，業(yè)界推出的節(jié)能燈和電子鎮(zhèn)流器專用三極管都十分注重對貯存時間的控制。因為貯存時間ts過長，電路的振蕩頻率將下降，整機的工作電流增大易導(dǎo)致三極管的損壞。雖然可以調(diào)整扼流圈電感及其他元器件參數(shù)來控制整機功率，但ts的離散性，將使產(chǎn)品的一致性差，可靠性下降。例如，在石英燈電子變壓器線路中，貯存時間太大的晶體管可能引起電路在低于輸出變壓器工作極限的頻率振蕩，從而造成每個周期的末端磁芯飽和，這使得晶體管Ic在每個周期出現(xiàn)尖峰，最后導(dǎo)致器件過熱損壞(圖3)。
如果同一線路上的兩個三極管貯存時間相差太大，整機工作電流的上下半波將嚴重不對稱，負擔重的那只三極管將容易損壞，線路也將產(chǎn)生更多的諧波和電磁干擾。
實際使用表明，嚴格控制貯存時間ts并恰當調(diào)整整機電路，就可以降低對hFE參數(shù)的依賴程度。還值得一提的是，在芯片面積一定的情況下，三極管特性、電流特性與耐壓參數(shù)是矛盾的，中國市場曾經(jīng)用BUT11A來做220V40W電子鎮(zhèn)流器，其出發(fā)點是BVceo、BVcbo數(shù)值高，但是目前絕大部分電子鎮(zhèn)流器線路中，已經(jīng)沒有必要過高選擇三極管的電壓參數(shù)。
圖3：兩個不同貯存時間的三極管用于同一線路的Ic波形圖。
一，完整的功率容限曲線
功率容限(SOA)是一個曲線包圍的區(qū)域(圖1)，當加在三極管上的電壓、電流坐標值超過曲線范圍時，三極管將發(fā)生功率擊穿而損壞。在實際應(yīng)用中，某些開關(guān)電源線路負載為感性，三極管關(guān)斷后，電感負載產(chǎn)生的自感電勢反峰電壓加在三極管的CE極之間，三極管必須有足夠的SOA、BVceo和BVcbo值才能承受這樣的反壓。
必須注意：目前一般三極管使用廠家不具備測試SOA的條件，即使是有條件的半導(dǎo)體三極管生產(chǎn)廠家，具備測試該指標的能力，但是儀器測試出的往往只是安全工作區(qū)邊界點上的數(shù)值，而不是SOA曲線的全部。這樣就有可能出現(xiàn)：在一點上SOA值完全一樣的兩對三極管，實際線路上使用過程中，一對三極管損壞了，而另外一對卻沒有損壞。
因此，在選擇燈用三極管的過程中，一定要找到器件生產(chǎn)廠家提供的完整SOA曲線。
二，降低三極管的發(fā)熱損耗
目前，節(jié)能燈、電子鎮(zhèn)流器普遍采用上下管輪流導(dǎo)通工作的線路，電感負載產(chǎn)生的自感電勢反峰電壓經(jīng)由導(dǎo)通管泄放，所以普遍感到三極管常溫下SOA值在節(jié)能燈、電子鎮(zhèn)流器線路中不十分敏感。而降低三極管的發(fā)熱損耗卻引起了業(yè)界的普遍關(guān)注，這是因為三極管的二次擊穿容限是隨著溫度的升高而降低的(圖2)。
三極管在電路中工作一段時間以后，線路元器件會發(fā)熱(包括管子本身的發(fā)熱)，溫度不斷上升導(dǎo)致三極管hFE增大，開關(guān)性能變差，二次擊穿特性下降。反過來，進一步促使管子發(fā)熱量增大，這樣的惡性循環(huán)最終導(dǎo)致三極管擊穿燒毀。因此，降低三極管本身的發(fā)熱損耗是提高三極管使用可靠性的重要措施。
實驗表明：晶體管截止狀態(tài)的功耗很?。粚?dǎo)通狀態(tài)的耗散占一定比例，但變化余地不大。晶體管耗散主要發(fā)生在由飽和向截止和由截止向飽和的過渡時期，而且與線路參數(shù)的選擇及三極管的上升時間tr、下降時間tf有很大關(guān)系。
最近幾年，業(yè)界推出的節(jié)能燈和電子鎮(zhèn)流器專用三極管都充分注意到降低產(chǎn)品的開關(guān)損耗，例如，國產(chǎn)BUL6800系列產(chǎn)品在優(yōu)化MJE13000系列產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，大幅提高了產(chǎn)品的開關(guān)損耗性能。
此外，控制磁環(huán)參數(shù)也有利于控制損耗。因為磁環(huán)參數(shù)的變化會引起三極管Ib的變化，影響三極管上升和下降時間。三極管過驅(qū)動可以造成三極管嚴重發(fā)熱燒毀，而三極管驅(qū)動不足，則可能造成三極管冷態(tài)啟動時瞬時擊穿損壞。
三，放大倍數(shù)hFE和貯存時間ts
三極管的hFE參數(shù)與貯存時間ts相關(guān)，一般hFE大的三極管ts也較大，過去人們對ts的認識以及ts的測量儀器均較為欠缺，人們更依賴hFE參數(shù)來選擇三極管。
在開關(guān)狀態(tài)下，hFE的選擇通常有以下認識：第一、hFE應(yīng)盡可能高，以便用最少的基極電流得到最大的工作電流，同時給出盡可能低的飽和電壓，這樣就可以同時在輸出和驅(qū)動電路中降低損耗。
但是，如果考慮到開關(guān)速度和電流容限，則hFE的最大值就受到限制；第二、中國的廠家曾經(jīng)傾向于選用hFE較小的器件，例如hFE為10到15，甚至8到10的三極管就一度很受歡迎(后來，由于基極回路流行采用電容觸發(fā)線路，hFE的數(shù)值有所上升)，hFE的數(shù)值小則飽和深度小，從而有利于降低晶體管的發(fā)熱。
實際上，晶體管的飽和深度受到Ib、hFE兩個因素的影響，因而通過磁環(huán)及繞組參數(shù)、基極電阻Rb的調(diào)整，也可以降低飽和深度。
目前，業(yè)界推出的節(jié)能燈和電子鎮(zhèn)流器專用三極管都十分注重對貯存時間的控制。因為貯存時間ts過長，電路的振蕩頻率將下降，整機的工作電流增大易導(dǎo)致三極管的損壞。雖然可以調(diào)整扼流圈電感及其他元器件參數(shù)來控制整機功率，但ts的離散性，將使產(chǎn)品的一致性差，可靠性下降。例如，在石英燈電子變壓器線路中，貯存時間太大的晶體管可能引起電路在低于輸出變壓器工作極限的頻率振蕩，從而造成每個周期的末端磁芯飽和，這使得晶體管Ic在每個周期出現(xiàn)尖峰，最后導(dǎo)致器件過熱損壞(圖3)。
如果同一線路上的兩個三極管貯存時間相差太大，整機工作電流的上下半波將嚴重不對稱，負擔重的那只三極管將容易損壞，線路也將產(chǎn)生更多的諧波和電磁干擾。
實際使用表明，嚴格控制貯存時間ts并恰當調(diào)整整機電路，就可以降低對hFE參數(shù)的依賴程度。還值得一提的是，在芯片面積一定的情況下，三極管特性、電流特性與耐壓參數(shù)是矛盾的，中國市場曾經(jīng)用BUT11A來做220V40W電子鎮(zhèn)流器，其出發(fā)點是BVceo、BVcbo數(shù)值高，但是目前絕大部分電子鎮(zhèn)流器線路中，已經(jīng)沒有必要過高選擇三極管的電壓參數(shù)。
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