中级职称论文

对电气、电子设备电路中

输出末级（半导体大功率驱动级或电源大功率管）

故障率较高的分析

贵州航天职业技术学院电子工程系王复奇

[摘要]在后工业化时代，随着技术的不断进步和发展，各种不同功能、性能的电气、电子产品层出不穷，推陈出新。人类极大地享受了技术带来的益处，但由于在享受后带来了对电气、电子产品的依赖，同时也伴随着电气、电子产品发生故障后的苦恼。本文从专业技术人员的角度，分析了电气、电子产品整机电路中故障率较高的部分的原因，对于从事该行业的技术人员、及相关行业甚至社会具有一定的借鉴意义。

[关键词]半导体输出末级大功率管结温

由于在工作中所从事专业的原因，笔者从1984年至2011年期间，每年至少修理各种电气、电子产品（工业用和家庭用都有）12台（次）, 27年间至少修理过各种电气、电子产品300台（次）。粗略统计，在被修理的电气、电子产品的整机电路故障中，功率级(输出末级)或电源功率级故障占整机故障率的比例大约是70%（包括由于功率级(输出末级)或电源功率级半导体损害导致的整机故障）。这个比例是相当高的。由于各种电气、电子产品的种类繁多，电路的结各不一样，其它各种电路的故障率未作统计。

基于这种高比例的原因，笔者从半导体的内部结构、工作过程、及结温产生的机理等方面进行了分析。

在电气、电子设备中，一般由信号源、放大器、执行机构和电源等几部分组成。而放大器又由电压放大器和功率放大器组成。从本质上说，电压放大器和功率放大器都是对信号起放大作用的。但是由于它们在整机电路中所起的作用不同，所以对它们的要求也有所不同。由于输入信号电压可能很微弱，所以电压放大的任务是把微弱信号电压幅度进行不失真放

大。但是为了推动执行机构(负载)，以完成显示、测量、调整和触发等等任务要求，不仅要求放大器输出幅度值较高的电压，还要求它输出足够的电流，这个任务就由功率放大级来完成。

由于功率放大级的任务与电压放大器有所不同，因此在电路结构、参数配置及分析方法等方面都有所不同。一般来讲有如下特点：

第一、在不超过极限参数的条件下，晶体管的集电极电压和集电极电流都有较大的变化。

功率级晶体管的工作范围主要受下列三个参数的限制：

1、集电极——发射极击穿电压应小于B V c eo；

2、集电极耗散功率应小于P c M;

3、一般情况下，集电极电流应小于集电极最大允许电流I c M 。但是I c M一般是按照晶体管的电流放大系数下降到某一允许规定值的。所以在工作过程中，当集电极电流大于I c M时，仅会使输出波形产生失真，并不会使晶体管损坏。因此有时为了获得较大的输出功率，可使集电极电流大于I c M。

我们可以用下图表示以上三个限制条件，功率管工作在斜线框定的范围内

应当指出，当集电极电流是脉动电流时，晶体管的交流负载线有可能进入耗损区。但此时晶体管并不会因为过热而损坏。这是因为，最大过损耗线是在一定的P CM值下根据直流电流与直流电压的乘积而画出的。当集电极电流为脉动电流时，功耗也是脉动的。

第二、要用图解法分析功率级电路

晶体管在功率级电路中工作时，由于它的集电极电流和集电极—发射极电压的变化幅度都很大，所以不能再把晶体管看成是一个线性器件了。

第三、要提高电路的效率

在功率器件工作过程中，为了输出一定的交流功率P sc,需要从直流电源中输入一定的直流功率P E，交流输出功率与直流输入功率之比叫做该级功率放大器的效率。即ŋ=P sc/P E 在功率级驱动电路中，输出功率较大，如果电路的效率越低，那么为输出一定的交流功率，从电源输入的直流功率就越大。这样，一方面增加了电源的消耗，另一方面（也是更为重要的一方面）,将使功率器件的集电极耗散功率增大，导致结温升高，甚至损坏。所以在功率级电路中，应特别注意电路的效率问题，并且要对功率器件采取妥善的散热措施。

第四、功率级电路容易产生非线性失真

由于输入信号和集电极电流的幅值都较大，功率器件很容易工作在非线性区而产生较明显的非线性失真。一般规定，功率器件的额定输出功率指的是：在失真允许的范围内，放大器可能输出的最大功率。在设计功率级电路时，正是以最大不失真功率为依据来选用功率器件和确定电路的相关参数的。

在功率级（或电源功率晶体管）电路中，最大的问题之一是散热。如效率为33%，功率输出功率为100W的电源，内部要消耗约200W。这个功耗就表现为热量，如果设计时，没有考虑足够冷却的话，它就可能使元器件加速老化，直至损坏。使元器件冷却的一个普通办法是把元器件固定在散热器上。即使加装了散热器，如果没有足够的散热裕度，随着设备开机工作时间的增加，也同样会使元器件老化，直至到一定的时间损坏。

为了说明功率器件容易老化直至损坏，这里有必要对热阻以及相关的情况作出叙述。两点之间的热阻（θ）定义为：当对系统加规定大小的功率P时，这两点之间产生的温差（T）

θ=T/P（℃/W）

在给定的功率时，若θ较低则温升较低。但在电子电路中，我们感兴趣的是：

θJC———从结到管壳的热阻

θCh———从管壳到散热器的热阻

θha———从散热器到环境的热阻

举例说明，晶体管的功率为60W，假设θJC=1℃/W，θCh=0.5℃/W，θha=3.5℃/W。

求晶体管的结温T j

从结到管壳的温差为：△T jc=θj c×P

同理△T ch=θch×P

△T ha=θha×P

所以T j=T a+P×（θJC+θCh+θha）

=25+60×（1.0+0.5+3.5）

=325（℃）

晶体管常常与它们的散热器绝缘，绝缘体会使管壳温度超过散热器温度而增加热阻。

这时T j=T a+T ha+T jc+T绝缘体

对功耗的实际限制是T j

晶体管的电阻的构成r bb′、r ee、r cc——分别是基区、发射区、集电区体电阻，发射区杂质浓度高，载流子较多，所以发射区电阻与发射结电阻相比较，可以忽略不计。因此晶

体管的输入电阻实际上是由基区电阻r bb′和发射结电阻组成的。发射结电阻re与流经发射

极的电流有关，这里只给出结论：r e(Ω)=26(mV)/I e(mA)

因此晶体管的输入电阻r be=△U be/△I b= r bb′+(β+1)×26(mV)/I e(mA) 由于晶体管在正常工作时，其集电极结是加反偏的，此时集电的电阻很大（可达M Ω以上）。因此当集电极电流流过集电结时，集电结所消耗的功率较大，在一定的环境和散热

条件下，将使集电结的温度（结温T j）升高。当结温升高时，会使晶体管的性能发生很大变化，甚至会烧坏集电结。为了使结温不超过规定的结温，就应限制集电结的耗散功率。

晶体管的耗散功率是指晶体管的参数变化不超过规定的允许值时集电极耗散的最大功

率P CM

P CM=U ce I ce P CM值可在各生产厂商的产品手册上查出。