中級職稱論文

對電氣、電子設備電路中輸出末級（半導體大功率驅動級或電源大功率管）

故障率較高的分析貴州航天職業(yè)技術學院電子工程系王復奇［摘要］在后工業(yè)化時代，隨著技術的不斷進步和發(fā)展，各種不同功能、性能的電氣、電子產品層出不窮，推陳出新。人類極大地享受了技術帶來的益處，但由于在享受后帶來了對電氣、電子產品的依賴，同時也伴隨著電氣、電子產品發(fā)生故障后的苦惱。本文從專業(yè)技術人員的角度，分析了電氣、電子產品整機電路中故障率較高的部分的原因，對于從事該行業(yè)的技術人員、及相關行業(yè)甚至社會具有一定的借鑒意義。［關鍵詞］半導體輸出末級大功率管結溫由于在工作中所從事專業(yè)的原因，筆者從1984年至2011年期間，每年至少修理各種電氣、電子產品（工業(yè)用和家庭用都有）12臺（次），27年間至少修理過各種電氣、電子產品300臺（次）。粗略統(tǒng)計，在被修理的電氣、電子產品的整機電路故障中，功率級輸出末級）或電源功率級故障占整機故障率的比例大約是70%（包括由于功率級（輸出末級）或電源功率級半導體損害導致的整機故障）。這個比例是相當高的。由于各種電氣、電子產品的種類繁多，電路的結各不一樣，其它各種電路的故障率未作統(tǒng)計。基于這種高比例的原因，筆者從半導體的內部結構、工作過程、及結溫產生的機理等方面進行了分析。在電氣、電子設備中，一般由信號源、放大器、執(zhí)行機構和電源等幾部分組成。而放大器又由電壓放大器和功率放大器組成。從本質上說，電壓放大器和功率放大器都是對信號起放大作用的。但是由于它們在整機電路中所起的作用不同，所以對它們的要求也有所不同。由于輸入信號電壓可能很微弱，所以電壓放大的任務是把微弱信號電壓幅度進行不失真放大。但是為了推動執(zhí)行機構（負載），以完成顯示、測量、調整和觸發(fā)等等任務要求，不僅要求放大器輸出幅度值較高的電壓，還要求它輸出足夠的電流，這個任務就由功率放大級來完成。由于功率放大級的任務與電壓放大器有所不同，因此在電路結構、參數(shù)配置及分析方法等方面都有所不同。一般來講有如下特點：第一、在不超過極限參數(shù)的條件下，晶體管的集電極電壓和集電極電流都有較大的變化。功率級晶體管的工作范圍主要受下列三個參數(shù)的限制：1、 集電極一一發(fā)射極擊穿電壓應小于BVceo；2、 集電極耗散功率應小于Pcm；3、 一般情況下，集電極電流應小于集電極最大允許電流【cm。但是【cm一般是按照晶體管的電流放大系數(shù)下降到某一允許規(guī)定值的。所以在工作過程中，當集電極電流大于【cm時，僅會使輸出波形產生失真，并不會使晶體管損壞。因此有時為了獲得較大的輸出功率，可使集電極電流大于【cm。我們可以用下圖表示以上三個限制條件，功率管工作在斜線框定的范圍內應當指出，當集電極電流是脈動電流時，晶體管的交流負載線有可能進入耗損區(qū)。但此時晶體管并不會因為過熱而損壞。這是因為，最大過損耗線是在一定的PCM值下根據(jù)直流電流與直流電壓的乘積而畫出的。當集電極電流為脈動電流時，功耗也是脈動的。第二、要用圖解法分析功率級電路晶體管在功率級電路中工作時，由于它的集電極電流和集電極一發(fā)射極電壓的變化幅度都很大，所以不能再把晶體管看成是一個線性器件了。第三、要提高電路的效率在功率器件工作過程中，為了輸出一定的交流功率Psc，需要從直流電源中輸入一定的直流功率PE，交流輸出功率與直流輸入功率之比叫做該級功率放大器的效率。即=PSC/PE在功率級驅動電路中，輸出功率較大，如果電路的效率越低，那么為輸出一定的交流功率，從電源輸入的直流功率就越大。這樣，一方面增加了電源的消耗，另一方面（也是更為重要的一方面），將使功率器件的集電極耗散功率增大，導致結溫升高，甚至損壞。所以在功率級電路中，應特別注意電路的效率問題，并且要對功率器件采取妥善的散熱措施。第四、功率級電路容易產生非線性失真由于輸入信號和集電極電流的幅值都較大，功率器件很容易工作在非線性區(qū)而產生較明顯的非線性失真。一般規(guī)定，功率器件的額定輸出功率指的是：在失真允許的范圍內，放大器可能輸出的最大功率。在設計功率級電路時，正是以最大不失真功率為依據(jù)來選用功率器件和確定電路的相關參數(shù)的。在功率級（或電源功率晶體管）電路中，最大的問題之一是散熱。如效率為33%，功率輸出功率為100W的電源，內部要消耗約200W。這個功耗就表現(xiàn)為熱量，如果設計時，沒有考慮足夠冷卻的話，它就可能使元器件加速老化，直至損壞。使元器件冷卻的一個普通辦法是把元器件固定在散熱器上。即使加裝了散熱器，如果沒有足夠的散熱裕度，隨著設備開機工作時間的增加，也同樣會使元器件老化，直至到一定的時間損壞。為了說明功率器件容易老化直至損壞，這里有必要對熱阻以及相關的情況作出敘述。兩點之間的熱阻（°）定義為：當對系統(tǒng)加規(guī)定大小的功率P時，這兩點之間產生的溫差（T）0=t/P（c/w）在給定的功率時，若。較低則溫升較低。但在電子電路中，我們感興趣的是：0jc 從結到管殼的熱阻0Ch 從管殼到散熱器的熱阻eha—從散熱器到環(huán)境的熱阻舉例說明，晶體管的功率為60W，假設ejc=1°C/W,ech=0.5°C/W,eha=3.5°C/W。求晶體管的結溫Tj從結到管殼的溫差為：^Tjc=ejcXP同理 △Tch二echXP△Tha=ehaxP所以 Tj=Ta+PX(0jc+0ch+eha)=25+60X(1.0+0.5+3.5)=325(C)晶體管常常與它們的散熱器絕緣，絕緣體會使管殼溫度超過散熱器溫度而增加熱阻。這時Tj=Ta+Tha+Tjc+T絕緣體對功耗的實際限制是Tj晶體管的電阻的構成《b'、Lfcc——分別是基區(qū)、發(fā)射區(qū)、集電區(qū)體電阻，發(fā)射區(qū)雜質濃度高，載流子較多，所以發(fā)射區(qū)電阻與發(fā)射結電阻相比較，可以忽略不計。因此晶體管的輸入電阻實際上是由基區(qū)電阻rbb'和發(fā)射結電阻組成的。發(fā)射結電阻re與流經發(fā)射極的電流有關，這里只給出結論：re(Q)=26(mV)/L(mA)r「r T因此晶體管的輸入電阻be=^Ube/^1b=bb'+(p+1)X26(mV)/【e(mA)由于晶體管在正常工作時，其集電極結是加反偏的，此時集電的電阻很大(可達MQ以上)。因此當集電極電流流過集電結時，集電結所消耗的功率較大，在一定的環(huán)境和散熱條件下，將使集電結的溫度(結溫Tj)升高。當結溫升高時，會使晶體管的性能發(fā)生很大變化，甚至會燒壞集電結。為了使結溫不超過規(guī)定的結溫，就應限制集電結的耗散功率。晶體管的耗散功率是指晶體管的參數(shù)變化不超過規(guī)定的允許值時集電極耗散的最大功率PCMPCM=Uce【ce PCM值可在各生產廠商的產品手冊上查出。晶體管的極限參數(shù)（如擊穿電壓、【CM和PCM等），用來指出晶體管工作時的極限，使用時不得超過。而且晶體管是一個對溫度很敏感的元件，晶體管的所有參數(shù)幾乎都受溫度變化的影響。因此，在晶體管電路中，如果設法減小溫度變化對晶體管性能的影響是經常要考慮的問題。1、 溫度變化對集電極反向飽和電流【cbo影響【cbo的定義：當晶體管的發(fā)射極開路，集電極和基極之間加規(guī)定的反向電壓（此電壓在晶體管手冊上給出）時，集電區(qū)和基區(qū)中的少數(shù)載流子就能順利地穿過集電結而形成集電極一一基極反向飽和電流。在一定溫度下，少數(shù)載流子是一定的。當集電結上的反向電壓在一定范圍內變化時，【cbo基本上是個常數(shù)。1cbo的大小事衡量晶體管集電結質量的的重要指標。良好的晶體管【cbo。2、 集電極一一發(fā)射極反向電流（穿透電流）【ceo【cbo的定義：當晶體管的基極開路，集電極和發(fā)射極之間加規(guī)定的反向電壓（此電壓在晶體管手冊上給出）時產生的反向電流。晶體管的1cbo和【cbo之間有著密切的關系。由于電源Ec加在晶體管的集電極和發(fā)射極之間，所以集電結上加有反向電壓，發(fā)射結上加有正向電壓。在反向電壓的作用下集電結上流過反向飽和電流【cbo。在正向電壓的作用下發(fā)射區(qū)中的自由電子將注入基區(qū)。這些自由電子的大部分將被集電極吸收，形成集電極電流。其中很少一部分本來應該和基區(qū)中的空穴復合，但由于基極開路，沒有外電源從基區(qū)拉走電子形成空穴，因此這一部分自由電子是和從集電區(qū)漂移過來的空穴相復合的。而從發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的自由電子達到集電區(qū)的數(shù)量在基區(qū)中復合掉的數(shù)量是Po因此與基區(qū)中一個空穴相復合，發(fā)射區(qū)必須向基區(qū)注入（1+P）個的自由電子。可是為了與形成的【cbo相復合，發(fā)射區(qū)必須向基區(qū)注入（1+P）【cbo的自由電子，即發(fā)射極電流【e=（1+P）【cboo因為由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的自由電子到達集電區(qū)的有P【cbo。而集電結上還有【cbo流過，當基極開路，在晶體管集電極與發(fā)射極之間加反向電壓時，流過發(fā)射極和集電極的電流是相等的，并以【cbo表示：'ceo=（1+B）【cbo?！綾eo的大小與晶體管性能的好壞有著密切的關系，它是判斷晶體管質量的一個重要指標?！綾eo小的晶體管溫度穩(wěn)定性好，【ceo大的晶體管溫度穩(wěn)定性差。對半導體功率級驅動電路來說，我們最關心的是，晶體管幾個的絕對最高額定值：一、 最高溫度一一儲存溫度、工作時結溫；二、 最大功耗；三、最大電壓和電流 Vceo、Vcbo、Vebo、【c這些額定值是極限值，超過它時，任何半導體的使用可靠性都會受到不同程度的損害。綜上所述，當大功率半導體（二極管、晶體管、IC等）中的電流流過其結時，不可避免地產生熱量。盡管設計師采取了