三极管分析

三极管损坏
开机状态（低压）
三极管损坏，电流 常压老化 击穿/热击穿
原因分析
1） 三极管性能不良 2） 电路设计不当 3） 常压状态下，与三极管驱动电
路/启动关联的电子元器件的参 数偏移，造成三极管驱动不良， 另外高频变压器在开机瞬间， 电流瞬时上升，造成的磁饱和， 无法抑制电流瞬时上升，也是 导致三极管电流超限一个原因 1）三极管性能不良 2) 电路设计不当 3）高压状态下，三极管驱动过足 1）三极管性能不良 2）电路设计不当 3）高压状态下，三极管驱动不足 1）三极管性能不良或者选型容量过 低 2）电路设计不当，如驱动过足或不 足
RCC 开关电路的功率三极管的失效（非生产工艺造成的）分析探讨
RCC 开关电路的功率三极管的失效分析是一个非常棘手的问题，
我们没有办法实时采用先进示波器去抓取信号，没有办法去定量分
析，排除工艺问题，大致如下(仅供参考)：
序号
1
2 3 4
失效现象 失效状态
三极管损坏
开机状态（常压）
三极管损坏
开机状态（高压）
（2） 饱和压降VCES 单个GTR的饱和压降一般不超过 1～1.5V，VCES随集电极电流ICM 的变化而变化。
2．电流参数
（1） 连续（直流）额定（集电极）电流IC 连续（直流）额定电流指只要保证结温不超过允许的最大结温、 晶体管所允许连续通过的直流电流值。
（2） 集电极额定电流（最大允许电流）ICM 集电极额定电流是取决于最高允许结温下引线、硅片等的破坏电 流，超过这一额定值必将导致晶体管内部结构件的烧毁。在实际使用 中可以利用热容量效应，根据占空比来增大连续电流，但不能超过峰 值额定电流。
*上为旧版，下为新版（优化的） BVceo 分布图
BVcbo 值统计分布图 Hfe 分布图，新版的 Hfe 变大了，适合开关电源电路应用
Tf 值分布统计图，BUL4118H-2 为新版 Vce（sat）值分布统计图，BUL4118H-2 为新版
总结一下，新版 BUL4118H-2 芯片适当降低了 BVceo 值，增加 了 BVcbo 值，但是其 Vces 及 Tf、Hfe 值等参数明显改善。
由某知名公司 E6160 三极管选型想到的
引子
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雷经理
以下问题请处理
2）盛元半导体公司三极 E6160（VCE：700V MIN）功耗大,不能满 足能效,温升：
wk.baidu.com
二次击穿在基极正偏（IB＞ B 0）、反偏（IBB<0）及基极开路的零偏 状态下均成立，把不同基极偏置状态下开始发生二次击穿所对应的临 界点连接起来，可形成二次击穿临界线。因此，GTR在工作时不能超 过最高工作电压VCEM、峰值脉冲额定（集电极）电流ICM、最大耗散 功率PCM及二次击穿临界线。这些限制条件构成了GTR的安全工作区 SOA（Safe Operating Area）。
总结一下：要想功率器件和谐的工作，主要要搞好三极管的驱动， 让 Ic 及 Vce 之间的交叉小，也就是相位差小。当然，特别是针对 RCC 电路，我们做全电压范围输入工作的电路，很难找到一个驱动平衡点， 有时顾高（压）就不了低（压）输入，这需要我们工程师耐心的去调 试。
三极管参数选择的关联问题 针对开关电源用的功率三极管，很多工程师存在一个误解，认为 三极管的耐压 Vceo 值越高越好，当然，提高开关三极管的 Vceo 值 可以相对提高三极管的二次击穿特性，但是这也不是绝对的。 为了增加三极管的 Vceo 值，一般在芯片生产前，选用电阻率较 高的单晶硅原材料。选用此类材料，可以提高三极管的 Vceo 值，其 后遗症如下：
图 4 为三极管的开关损耗波形图，由于三极管 CE 电压有 300V， 饱和电压只有 0.1-0.2V,限于现有示波器的测试精度，实际测试的功率 曲线（等于 三极管集电极电流 X 三极管 CE 电压）当线路调试比较 理想的时候，基本上是一条直线，看不出开关损耗的明显变化；这里 借用了损耗比较严重的一个手机充电器三极管 VCE、IC 波形及功率曲 线（图 4）。比较直观地显示了以上三部分功率损耗数量的关系。 图 4 中上部的黄色曲线 F1，是三极管功率损耗曲线，它等于三极管集电 极电流（红色曲线 2）乘以三极管 CE 电压（蓝色曲线 1）；可以清楚 地看到在三极管截止和饱和时是接近于零的直线，过渡时期（左右交 叉）有相当数量的功率损耗。
其中红色部分的参数，芯片设计时，可以尽量增加 B 区的面积 及参杂优化来减少其不良影响，但是总有一个限度，不可能百分百地 解决问题。对于三极管厂家来讲，各个参数需要达到一个综合平衡。
另外，功率三极管在电源产品并非工作在Vceo测试模型状态中！ 如下图示，是某芯片厂家对某一个芯片优化前后的统计图表：
安全工作区在基极正向偏置时称为正向偏置安全工作区 （FBSOA）,如图 1-23a）所示；安全工作区在基极反向偏置时称为反 向偏置安全工作区（RBSOA），如图 1-23b）所示。
a） FBSOA
b） RBSOA
图 1-23 GTR 的安全工作区
开关三极管安全驱动的标准说明 功率器件在开关电路中一定会发热，双极性高压功率三极管也是
如此，如下是开关三极管发热的原因分析：
在开关工作状态下，在晶体三极管上消耗的发热损耗功率由以下 三部分组成：
①晶体管截止时，显然 VCE 很大（等于直流电源电压），但是由 于晶体管的漏 电流非常小，所以这部分功耗是极小的；②晶体管导 通时，IC 由负载所需电流决定，VCES 是晶体管在负载电流条件下的饱 和压降，这部分耗散功率占有一定比例，但变化余地不大； ③晶体 管由饱和转为截止的过渡时期。这部分的耗散功率所占的比重较大， 而且与线路参数的选择及三极管的下降时间 tf 有很大的关系。
三极管损坏，电流
5
击穿/热击穿
高压老化
1）三极管性能不良或者选型容量过 低 2）电路设计不当，如高压时驱动过 足
三极管损坏，电流
6
击穿/热击穿
低压老化
1）三极管性能不良或者选型容量过 低 2）电路设计不当，如高压时驱动不 足
功率三极管的损坏是一个复杂的过程，是随着电压、电流、温度、 时间变化的三维空间，功率器件并非一个线性器件，我们不能单凭常 温状态去推算高温状态参数变化，也就是说不能静态地考虑问题。我 们建议工程师在设计选型时，要耐心细致地统计数据，做到心里有数， 而不是想当然，凭感觉而定。
（3） 基极电流最大允许值IBM
基极电流最大允许值比集电极额定电流的数值要小得多，通常 IBM=（1/2~1/10）ICM，而基极—发射极间的最大电压额定值通常只有 几伏。
（4） 集电极最大耗散功率PCM
集电极最大耗散功率是指最高工作温度下允许的耗散功率。它受 结温的限制，由集电极工作电压和电流的乘积所决定。
1.4.4 二次击穿现象与安全工作区
1．二次击穿现象
二次击穿是GTR突然损坏的主要原因之一，成为影响其安全可靠 使用的一个重要因素。二次击穿现象可以用图 1-22 来说明。当集电 极电压VCE增大到集射极间的击穿电压VCEO时，集电极电流iC将急剧增 大，出现击穿现象，如图 1-22a）的AB段所示。这是首次出现正常性 质的雪崩现象，称为一次击穿，一般不会损坏GTR器件。一次击穿后 如继续增大外加电压VCE，电流iC将持续增长。当达到图示的C点时仍 继续让GTR工作时，由于VCE高，将产生相当大的能量，使集电结局 部过热。当过热持续时间超过一定程度时，VCE会急剧下降至某一低 电压值，如果没有限流措施，则将进入低电压、大电流的负阻区CD 段，电流增长直至元件烧毁。这种向低电压大电流状态的跃变称为二 次击穿，C点为二次击穿的临界点。所以二次击穿是在极短的时间内
--------------------------------------------------------------------------------------------------无独有偶，深圳市可立克电子采用 BYD 的 2501 方案做一个 6W 的电源，
先选用 E6160(可立克通过我们的网站找到这个型号的)，发现在密闭环境下，温 度有 E6160 本体温度超过 160°（说明盛元的封装工艺不错），最后和其沟通， 我司推荐选用 EB13003A（VCEO>450V Ic=1.5A Hfe 25-35），温度立即下降 至 105°（密封状态） 关于开关电路用的功率三极管选型，很多工程师存在一些误区，下面就这些问 题谈谈自己的认识,希望起到抛砖引玉的作用，希望各位高手指点一下（声明一 下，本人非开关电源应用高手，我只关心与三极管工作状态，同时厘清一下什 么是漂亮的三极管驱动波形）
（纳秒至微秒级），能量在半导体处局部集中，形成热斑点，导致热 电击穿的过程。
a） b） 图 1-22 GTR 的二次击穿现象 二次击穿在基极正偏（IB＞ B 0）、反偏（IBB＜0）及基极开路的零偏 状态下均成立，如图 1-22b）所示。把不同基极偏置状态下开始发生 二次击穿所对应的临界点连接起来，可形成二次击穿临界线。由于正 偏时二次击穿所需功率往往小于元件的功率容量PCM，故正偏对GTR 安全造成的威胁最大。反偏工作时尽管集电极电流很小，但在电感负 载下关断时将有感应电势迭加在电源电压上形成高压，也能使瞬时功 率超过元件的功率容量而造成二次击穿。 为了防止发生二次击穿，重要的是保证GTR开关过程中瞬时功率 不要超过允许的功率容量PCM，这可通过规定GTR的安全工作区及采 用缓冲（吸收）电路来实现。 2．安全工作区
雷 鸣 13828816686 sysemi.china@gmail.com 欢迎登陆我的博客： powerbug.blog.dianyuan.com 功率甲壳虫
1 主要参数
1．电压参数 （1） 集电极额定电压VCEM 加在 GTR 上的电压如超过规定值时，会出现电压击穿现象。击穿 电压与 GTR 本身特性及外电路的接法有关。各种不同接法时的击穿 电压的关系如下 BVCBO＞BVCES＞BVCEX＞BVCER＞BVCEO 其中，BVCBO为发射极开路，集电极与基极间的反向击穿电压； BVCEX为发射极反向偏置时集电极与发射极间的击穿电压； BVCES、BVCER分别为发射极与基极间用电阻联接或短路连接时集 电极和发射极间的击穿电压； BVCEO为基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。 GTR的最高工作电压VCEM应比最小击穿BVCEO低，从而保证元件工 作安全。
装上 12V/0。41A 的产品测试后待机功耗大，用正常 E6 160 三极管测(115V 输入)产品输入功率为 6.78W,用不正常 E6160 三极 管测产品输入功率为 7.16W,相差 0.38W,能效相差 4%左右,我手上有不 良品与良品,请反馈料商来我司共同分析,
Best Regards 物开部 陈叶