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显示/光电技术中的节能灯功率管失效机理分析
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2020-11-27
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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。
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显示显示/光电技术中的节能灯功率管失效机理分析光电技术中的节能灯功率管失效机理分析
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。
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。
weixin_38609002
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