開關(guān)三極管失效原因分析

1、三極管工作時(shí)，由于電流熱效應(yīng)，會(huì)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，下面分析開關(guān)三極管失效的幾種情況：

　　1) 由于三極管的工作電流受溫度的影響很大，因此當(dāng)三極管工作時(shí)，耗散功率轉(zhuǎn)化為熱，使集電結(jié)結(jié)溫升高，集電結(jié)結(jié)電流進(jìn)一步加大，會(huì)造成惡性循環(huán)使三極管燒毀。這種情況叫熱擊穿。使三極管不發(fā)生熱擊穿的*高工作溫度定義為*高結(jié)溫。

　　2) 當(dāng)三極管未達(dá)到*高結(jié)溫時(shí)，或者未超過*大耗散功率時(shí)，由于材料的缺陷和工藝的不均勻性，以及結(jié)構(gòu)原因造成的發(fā)射區(qū)電流加緊效應(yīng)，使得三極管的工作電流分布不均勻。當(dāng)電流分布集中在某一點(diǎn)時(shí)，該點(diǎn)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(jìn)一步增大，從而形成“過熱點(diǎn)”，其溫度若超過金屬電極與半導(dǎo)體的共熔點(diǎn)，造成三極管燒毀。另一方面，局部的溫升和大電流密度會(huì)引起局部的雪崩(擊穿)，此時(shí)的局部大電流能使三極管燒通，使擊穿電壓急劇降低，電流上升，*后導(dǎo)致三極管燒毀。這種情況就是所謂的二次擊穿。

　　二次擊穿是功率開關(guān)管失效的重要原因,三極管二次擊穿的特性曲線如圖6所示。為保證三極管正常工作，提出了**工作區(qū)SOA的概念。

　　SOA示意圖如圖案所示,它由集電極*大電流Icm線、擊穿電壓BVceo線、集電極*大耗散功率Pcm線和二次擊穿功耗Psb線組成。由于使用時(shí)工作電流和*大電壓的設(shè)計(jì)都不會(huì)超過三極管的額定值，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三極管失效燒毀的主要因素。

　　2、既然分析了開關(guān)三極管的失效主要因素，那么下面再討論一下怎么減少失效。很明顯降低三極管的失效重要的是要盡量降低三極管工作時(shí)的功率、改善二次擊穿特性，這兩者其實(shí)是相關(guān)的。由二次擊穿的發(fā)生機(jī)理可知，溫度上升，導(dǎo)致三極管HFE增大，開關(guān)性能變差，二次擊穿特性變差(更容易發(fā)生二次擊穿);溫度的升高，也使得三極管的實(shí)際耗散功率參數(shù)變差，三極管的**工作區(qū)變小了。反過來，由于三極管的耗散功率主要和三極管的熱阻有關(guān)，耗散功率小，實(shí)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(shí)三極管溫升過高、提高三極管的耗散功率，是提高三極管質(zhì)量的*有效辦法。

　　1)熱阻三極管工作中，當(dāng)PN結(jié)溫度超過允許*高結(jié)溫時(shí)，三極管消耗的功率就是三極管的集電極*大耗散功率。由于一定材料的*高結(jié)溫是一定的，因此，提高三極管的散熱性能，就是提高三極管的耗散功率，同時(shí)，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(gè)重要參數(shù)，代表了三極管的散熱能力。熱阻與耗散功率的關(guān)系為：Pcm=(Tjm-Ta)/RT其中Tjm為*高結(jié)溫，Ta為環(huán)境溫度，RT為熱阻。可見，當(dāng)*高結(jié)溫和環(huán)境溫度一定時(shí)，耗散功率的大小取決于熱阻的大小。在開關(guān)電源中作開關(guān)的三極管，應(yīng)選用熱阻盡可能低的管子。除了三極管芯片本身之外，后工序裝配的材料、工藝和質(zhì)量對(duì)熱阻的影響也非常大。

2)開關(guān)參數(shù)三極管工作于飽和和截止?fàn)顟B(tài)，因此三極管的開關(guān)參數(shù)對(duì)其工作情況有重大的影響。三極管的開關(guān)參數(shù)有4個(gè)：延遲時(shí)間td、上升時(shí)間tr、儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf,如圖8所示的開關(guān)波形圖.管子由截止到飽和時(shí)，過渡時(shí)間受延遲時(shí)間和上升時(shí)間的影響，由飽和到截止時(shí)，過渡時(shí)間受存儲(chǔ)時(shí)間和下降時(shí)間的影響。三極管在不同工作狀態(tài)時(shí)消耗的功率為：

　　1. 截止時(shí)：P=Vce•Iceo飽和時(shí)：P=Vces•Ic由于三極管的反向漏電流Iceo和飽和壓降Vces都很低，因此，飽和和截止時(shí)，三極管的消耗功率并不大，但在兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程中，三極管有一部分時(shí)間工作于放大區(qū)，此時(shí)的電流電壓均較大，處于放大區(qū)的時(shí)間越長，從而消耗功率也越大，溫度也就升高越多。影響三極管處于放大區(qū)的開關(guān)參數(shù)主要是上升時(shí)間和下降時(shí)間。因此，應(yīng)選用上升時(shí)間和下降時(shí)間盡可能短的三極管。

　　3)高溫漏電流在上面的說明中，我們知道三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)時(shí)的功耗主要由反向漏電流Iceo決定。常溫下，Iceo一般很小，因此，三極管的截止功率并不大，但當(dāng)工作后溫度升高后，Iceo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(jié)擊穿特性變軟，也使三極管變得易于燒毀。因此，高溫漏電流也是影響管子質(zhì)量的重要參數(shù)。硅三極管的ce反向漏電為：

　　Iceo=(1+β)Icbo≈(1+β)Ae×Ni×XMG/2τ其隨溫度的變化主要與材料和工藝有關(guān)。

　　4)其它功率開關(guān)三極管的其他參數(shù)，也與其使用有關(guān)。hFE也是經(jīng)常考慮的因素之一。