节能灯功率管失效原理研究

节能灯功率管失效原理研究

1引言

节能灯作为一种环保型的电源，在全世界得到了广泛的应用，国内节能灯的生产更是一枝独秀。作为节能灯（包括电子镇流器）的重要部件，大功率开关三极管的质量对节能灯的质量和寿命起着关键的作用。目前市场上除了仙童、ST等几个进口品牌外，国内的节能灯功率管质量都不够稳定。本文就大功率开关三极管在节能灯应用中的失效机理作出分析，并对影响失效的因素进行探讨。

2失效模式

节能灯损坏、寿命短的主要原因是大功率开关三极管的失效。通过对失效功率管的解剖分析，绝大多数失效管属发射结烧毁短路。用显微镜观察解剖的失效管子时，可以见到在发射区焊位附近有明显的烧毁发黑斑点（参见图1）。这是典型的烧毁现象。

三极管工作时，由于电流热效应，会消耗一定的功率，这就是耗散功率。耗散功率主要由集电极耗散功率组成：

PT≈VceIc即PT≈PCM

我们知道，三极管的工作电流受温度的影响很大。PN结的正向电流与温度的关系为：

I∝e－(Eg－qV)/kT

当三极管工作时，耗散功率转化为热，使集电结结温升高，集电结结电流进一步加大，会造成恶性循环使管子烧毁。这种情况叫热击穿。使管子不发生热击穿的最高工作温度定义为最高结温。硅材料PN结的最高结温是：

Tjm=6400/(10.45＋lnρ)

另一种情况，当管子未达到最高结温时，或者未超过最大耗散功率时，由于材料的缺陷和工艺的不均匀性，以及结构原因造成的发射区电流加紧效应，使得三极管的工作电流分布不均匀。当电流分布集中在某一点时，该点的功耗增加，引起局部温度增高，温度的增高反过来又使得该处的电流进一步增大，从而形成“过热点”，其温度若超过金属电极与半导体的共熔点，造成三极管烧毁。另一方面，局部的温升和大电流密度会引起局部的雪崩（击穿），此时的局部大电流能使管子烧通，使击穿电压急剧降低，电流上升，最后导致管子烧毁。这种情况就是所谓的二次击穿。三极管二次击穿的特性曲线如图2所示[1]。

二次击穿是功率管失效的重要原因。为保证管子正常工作，提出了安全工作区SOA的概念。SOA示意图如图3所示，它由集电极最大电流Icm线、击穿电压BVceo线、集电极最大耗散功率Pcm线和二次击穿功耗Psb线组成。由于使用时工作电流和最大电压的设计都不会超过管子的额定值，因此，正常情况下，集电极耗散功率和二次击穿特性就是造成管子失效烧毁的主要因素。

3影响失效的因素

从上面的失效机理分析可知，为减少失效，重要的是要尽量降低管子工作时的功率、改善二次击穿特性，这两者其实是相关的。由二次击穿的发生机理可知，温度上升，导致管子HFE增大，开关性能变差，二次击穿特性变差（更容易发生二次击穿）；温度的升高，也使得管子的实际耗散功率参数变差，管子的安全工作区变小了。反过来，由于管子的耗散功率主要和管子的热阻有关，耗散功率小，实际上也就是其所能承受的电流电压低，散热性能差，同样也影响到了二次击穿特性。因此，防止工作时管子温升过高、提高管子的耗散功率，是提高管子质量的最有效办法。 1)热阻

管子工作中，当PN结温度超过允许最高结温时，管子消耗的功率就是管子的集电极最大耗散功率。由于一定材料的最高结温是一定的，因此，提高管子的散热性能，就是提高管子的耗散功率，同时，散热性能好，管子的温升就低，也降低了二次击穿的可能性，这是提高二次击穿特性的重要因素。

热阻作为大功率管的一个重要参数，代表了管子的散热能力。热阻与耗散功率的关系为：

Pcm=(Tjm－Ta)/RT

其中Tjm为最高结温，Ta为环境温度，RT为热阻。可见，当最高结温和环境温度一定时，耗散功率的大小取决于热阻的大小。

在节能灯产品中，应选用热阻尽可能低的管子。除了芯片本身之外，后工序装配的材料、工艺和质量对热阻的影响非常大。对管子进行热阻的测试筛选，是保证节能灯功率管质量的基本要求。

2)开关参数

典型的节能灯线路工作时，两只管子轮流工作于饱和和截止状态，因此管子的开关参数对其工作情况有重大的影响。管子的开关参数有4个：延迟时间td、上升时间tr、储存时间ts和下降时间tf。如图4所示的三级管开关波形图，管子由截止到饱和时，过渡时间受延迟时间和上升时间的影响，由饱和到截止时，过渡时间受存储时间和下降时间的影响。管子在不同工作状态时消耗的功率为：

截止时：P=Vce·Icex

饱和时：P=Vces·Ic

由于三级管的反向漏电流Icex和饱和压降Vces都很低，因此，饱和和截止时，管子的消耗功率并不大，但在两种状态的转换过程中，管子有一部分时间工作于放大区，此时的电流电压均较大，处于放大区的时间越长，从而消耗功率也越大，温度也就升高越多。

由波形图可看出，影响管子处于放大区的开关参数主要是上升时间和下降时间。因此，应选用上升时间和下降时间尽可能短的管子。

另一方面，由于节能灯的两只管子轮流工作于饱和和截止状态，开关参数之间的关系也很重要。除延迟时间外，如果储存时间和下降时间的和比上升时间大太多，则两个管子同时处于导通状态的机会就大，也会导致不良的结果。同样，两个管子的开关参数的一致性也非常重要。 因为三极管的开关时间中，储存时间ts最长，因此其影响也最大。应尽量选用储存时间短的管子，同时要求储存时间一致性尽量好。

3)高温漏电流

在上面的说明中，我们知道管子工作在截止状态时的功耗主要由反向漏电流Icex决定。常温下，Icex一般很小，因此，管子的截止功率并不大，但当工作后温度升高后，Icex变大，则其消耗功率也变大，直至影响到正常的工作。另一方面，反向漏电流的增大使得PN结击穿特性变软，也使管子变得易于烧毁。因此，高温漏电流也是影响管子质量的重要参数。

硅三极管的ce反向漏电为：

Iceo=（1＋?）Icbo≈（1＋?）Ae×Ni×XMG/2τ

其随温度的变化主要与材料和工艺有关。在管子的测试中，常以不同温度（高温和常温）下的漏电流变化△Iceo作为指标进行挑选，要求△Iceo尽可能的小。

4)其它

功率开关三极管的其他参数，也与其使用有关。hFE也是经常考虑的因素之一。其对管子质量的影响，也体现在对开关时间的影响，其重要性相对没有开关参数影响那么大。除此之外，Icm和BVceo也是常常考虑的因素。

上面对节能灯大功率开关管的失效机理分析，以及由此得出的参数选用要求，经过我们的大量分组试验，证明与实际情况相符。华汕电子器件有限公司在相关产品的生产方面也据此采取相应的措施，并在实际应用上取得了良好的效果，满足了国内客户的要求，迅速为市场所接受。