开关电源中功率晶体管的二次击穿及防护

　　随着电子技术的不断发展和新型元器件的问世， 开关电源以其体积小、重量轻、效率高、对电网电压适应范围宽等优势， 越来越受到大家的青睐， 在绝大多数领域中取代了传统的线性电源并被广泛地应用于不同的电子产品中。

 

　　在大部分的开关电源中， 功率开关晶体管工作在高电压、大电流的高频脉冲状态下，在这种条件下的开与关会给晶体管造成很大的冲击。二次击穿是造成晶体管损坏的重要原因之一。要设计出高性能、高可靠性的开关电源， 清楚地了解晶体管二次击穿的有关知识和避免措施很有必要。

　　本文分析了晶体管二次击穿的现象和产生原因， 并结合开关电源的设计及生产实际， 介绍了缓冲回路的应用及其它有关晶体管防护措施。

　　1 二次击穿的原因

　　二次击穿主要是由于器件体内局部温度过高造成。温度升高的原因是当正向偏置时由热不均衡性引起， 反向偏置时由雪崩击穿引起。

　　因为晶体管的热阻在管子内部各处分布是不均匀的， 在一些薄弱的区域， 温升将比其它部分高，形成所谓"热点", 局部温引起局部电流增加， 电流增加又使温度升高， 如此循环直至一个临界温度，造成管子的击穿。

　　雪崩击穿引起的二次击穿是由于发生一次雪崩击穿后， 在某些点上因电流密度过大， 改变了结的电场分布， 产生负阻效应从而使局部温度过高的一种现象。

　　2 避免二次击穿的措施

　　开通与关断损耗是影响开关器件正常运行的重要因素。尤其是晶体管在动态过程中易产生二次击穿的现象， 这种现象又与开关损耗直接相关， 所以减少自关断器件的开关损耗是正确使用器件的必备措施。要减少损耗可通过两条途径来实现：

　　(1) 在尽量低的集- 射极电压( Vce ) 下关断晶体管;

　　(2) 射极电压升高过程中关断晶体管要尽量减小射极电流。引入缓冲电路是达到上述目的途径之一。

　　3 开关电源中可选用的缓冲电路

　　在开关电源的设计中可选用下列缓冲电路， 以确保晶体管在安全区(SOA) 内运行。

　　1)常用的关断缓冲电路是一种耗能式关断缓冲电路。它虽然耗能较多， 但电路简单。如图1 所示。

　　图1 常用的关断缓冲回路

　　它由RCD 网络与晶体管开关并联组成。当晶体管关断时， 负载电流经二极管D 给电容C充电，使管子的集电极电流逐渐减小。因为电容C 两端电压不能突变， 故而其集电极电压受到牵制。避免了集电极电压与电流同时达到最大值的情况， 因而不会出现最大的瞬时尖峰功耗。管子开通时， 电容放出能量并将其消耗在电阻上。

　　2)两种常用的耗能式开通缓冲电路。

　　a.具有非饱和电抗的开通缓冲电路(图2) : 电感- 二极管网络与晶体管集电极串联， 形成开通缓冲电路。当管子开通时， 在集电极电压下降期间， 电感Ls 控制电流的上升率di/ dt .当管子关断时，贮存在电感Ls 中的能量1/ 2(LsI2m) 通过二极管Ds 续流，其能量消耗在Ds 和电抗器的电阻中。

　　图2 具有非饱和电抗的开通缓冲回路