用测量正偏二次击穿参数的方法来验证大功率器件的可靠性

用测量正偏二次击穿参数的方法来验证大功率器件的可靠性 用测量正偏二次击穿参数的方法 来验证大功率器件的可靠性 江苏科源电器有限公司 陈克明 摘 要：大功率器件在整机装配、调试及运行过程中常出现一些质量问题，诸如：电性能曲线漂移、线 性不好、直流放大倍数不符要求，甚至集电极 一发射极烧毁造成开路等。这些缺陷固然与器件质量有 极其重要的关系，但如果整机在设计过程 中考 中考数学全套课件中考心理辅导讲座中考语文病句辨析修改中考语文古诗文必背中考单选题精选 虑不周、选型不当造成余量小或使用上的失误，也会造 成大功率器件的早期失效。为解决这一问题，我们对所使用的功率管进行了二次击穿等一系列试验， 已摸索出一些比较简单的提高大功率器件可靠性的老炼、筛选措施。 关键词：可靠性 二次击穿 老炼 筛选 一 、整机对晶体管可靠性的要求 元器件是整机的基础。以一般电视接收机为例， 它所使用的元器件，约占整机全部装配件的80％左 右；有一种ZJ一60型电力载波机中，所用元器件多达 三千余只，若要求此整机能达到平均无故障工作时 间(MIBF)为 1000小时，那么，就应该要求所选用的 各种元器件的平均失效率为： 入≤3．3×10一 h一 也就是说，要求半导体器件的可靠性能达到七级或 亚七级的水平。但根据目前我国各类晶体管的可靠 性水平，基本上都在五级的水平上，这样，就相差近 2 个数量级。 而在目前的国内晶体管器件手册中，以功率管 所给定的极限参数一般为：集电极最大工作电流 lem，集电极最大耗散功率 Pcm；集电极发射极击穿 电压 BVeeo以及一定电流下的直流放大倍数 Hfe等 四项。由此，整机厂也基本上按手册中规定的项目对 功率管进行验收。可是，晶体管在使用过程中，除受 各种直流、交流参数的影响外，还受到二次击穿功耗 的限制。针对这一问题，我们对晶体管进行了多种试 验，找出其规律性，并以较简单的方法来取代电功率 的老炼筛选，取得了良好的效果。 二、大功率器件的二次击穿曲线： 既然晶体管在整机使用过程中，受到二次击穿 功率的限制，因此在检测和使用晶体管时，就必须要 考虑防止二次击穿的发生。晶体管的二次击穿功率 Psb往往比实际给出的晶体管最大功率 Pcm数值小 得多。 二次击穿问题属于功率晶体管的一个特殊问 24 图 1 大功度霄二次击空 曲线 题，这种现象如图1所示。即在晶体管集电极增加反 向偏压时，首先出现一次击穿，而后当电流增加到一 定数值时，则电压下降，曲线就向低阻区移动，电流便 急剧增加，最后使晶体管损坏，这就是二次击穿现 象。将各种集电极电流值下的二次击穿点连接成一条 曲线，就称做“二次击穿曲线”(图1中点划线所示)。 因而，晶体管的安全工作区，不仅受最大电压，最大电 流及最大耗散功率的限制，同时还受到二次击穿功率 的限制。 我们所用的大功率管的品种繁多，其中高频大功 率硅管就有30DA76、3DA98等及其有特殊要求而派 生的其它型号；而低频大功率硅管则有 3DD12、 3DD15C、3DD170B等型号。现将部分管子的二次击穿 功率实际试验所测得的曲线，示于图2至图8，以供电 源整机线路设计者使用这些管子时作参考。 三、筛选方法的研究和确定 对功率管进行筛选的方法不外乎是高温贮存、电 ’ ◆ ● 维普资讯 http://www.cqvip.com ◆ <电予毛嚣c牛应~)2ooo年1月第1期 发应 Vsb(v) 120 100 60 50 60 0 100 200 100 40 30 图2 3DA76T二次击穿曲线 Vsb(v) 线 I．(mA) 0 2 3 图4 3DA98T二次击穿曲线 Vsb(v) 图6 3DD15C二次击穿曲线 『e(A) f．(A) Vsb(v) 70 50 0 2 3 线 ‘(A) 图3 3DA77二次击穿曲线 Vsb(v) ， 100 图5 3DD4B二次击穿曲线 Vsb(v) 160 120 图7 3DD7D二次击穿曲线 『．(A) 曲线 『e(A) 维普资讯 http://www.cqvip.com 用测量正偏二次击穿参数的方法来验证大功率器件的可靠性 ‘(A) 图 8 3DD10C二次击穿曲线 功率老炼，高低温循环、无损检漏等，以便对管子进 行参数性能和曲线形状的挑选，以满足整机对管子 的要求。在进行电功率老炼时，由于大功率管所需老 炼设备的投资较大，如用小型老炼台老炼，老炼的功 率管数量不能满足生产需要，经济上也极不合算。因 此j我们就用测量二次击穿的办法，来代替对管子的 老炼筛选，收到了良好的效果。 测试时，如果按晶体管手册中所列参数的顺序 进行的话，则管子经二次击穿测试以后，其参数变化 很大，与原先参数已完全不一样了，个别质量差的管 子，甚至还发现ce极开路现象。由此可看出，对功率 管测量参数顺序的研究和规定，是必须考虑的一个 重要因素。经多次验证，我们认为按下列次序进行测 量是适宜的，即反向击穿电压 eo一正偏二次击穿 功率 Psb一集电极一发射极饱和压降 e 反向击 穿电压 BVcbo、BVebo---*直流放大倍数 及其线 性。测试条件及方法要求，列于表 1至表3。 表 1 正偏二次击穿参数的测试条件 发射极电流 测试合格要求 功率管型号 脉冲时间 占空比 Ie(A) Vsb(v) 3DA76 0．18 ≥40 3DA77 l ≥40 3DA98 1．25 ≥40 IsT043 2 ≥50 3DD48 0．25 ≥40 3DD7C 1．5 ≥50 3DD7D looms l：2 3DF7D (连续) 1．5 ≥50 3DDl0C 4 ≥50 3DD12B l ≥50 3DD15C l ≥50 3DD170B 4 ≥50 3DD2o0C 5 ≥50 3DD951 l ≥ loo 表2 饱和压降及反向击穿电压筛选测试的具体要求 Vces 曰 eo 功率管型号 曰 bo 备注 (V) (V) 3DA76T ≤l ≥80 ≥3 1．测试条件按 3DA77 ≤2 ≥70 ≥l 管子说明书中 规定进行 3DA98T ≤ 1．5 ≥80 ≥4 2 ． 曰Vceo、BVelx IST043 ≤1．5 ≥80 ≥4 要求硬特性曲线 表3 考核功率器件线性参数的测试条件 功率管 Hr． A ⋯ ～ 大电流 小电流 (大电流) 型 号 条 件 条 件 允许范围 3DA76T 3oomA l0mA ≤20％ 3DA98T 1．5A loomA ≤20％ 3DA76 当 Vce=10V lb=0．5mA时 ，c≠0曲线呈线性 3DA77 当 Vce=5V ，b=5mA 时 ，c≠0曲线呈线性 ’ 四、防止出现二次击穿的具体措施 ◆ 1．管子的反向击穿电压 BVcbo太高，将影响晶 体管二次击穿电压 Vsb的提高；同样，管子的直流饱 和压降 Vces要求太小，也将限制 Vsb数值的提高。 所以，合理选择 BVceo(一般情况上下，不超过整机使 用条件的20％为宜)及 Vces是有实际意义的。 2．为防止大功率二次击穿引起的热烧毁，整机 厂对常用的功率管，摸索试验出对应的安全工作区 曲线，以便在电路设计时，保证所有工作点都落在安 全工作区之内，并留有一些余量。同时，在许可条件 下，应尽量加大功率管的散热器面积并考虑它的安 装位置应具有良好的散热性，以确保功率管二次击 穿耐量。 ◆ 3．由于晶体管二次击穿现象通常发生在高电 压、小电流工作区。因此在电路要求许可的条件下， 应尽量使晶体管运用在低电压、大电流工作区。为了 减少因电路的寄生振荡和开机、关机时产生的过压、 过流所引起的二次击穿，电路设计者在设计电路时 应尽量少采用电感、变压器及大电容等贮能元件。 4．为防止由于功率管的过压而出现二次击穿， 可在晶体管的ce极间并联一只稳压管，使 Vce电压 被限制在稳压管的稳压值之内。 5．从电路上设计，限制晶体管集电极的过电 流。如采用电流负反馈电路，通过相应降低晶体管的 Vbe来实现(因晶体管的集电流 lc，是受 Vbe电压控 一 制的)。 6．对于功率管，即考虑在放大作用时的工作耐 m ∞ ：g ∞ ∞ 维普资讯 http://www.cqvip.com <电于之嚣c牛唐J~))2000年1月第1期 发应 量 Vsb又要考虑在小电流时有输出。故在挑选晶体 管的输出特性曲线时，一般地有下述规律，即若大电 流工作区不呈线性，有下降图形出现，则 Vsb较差； 若小电流工作区不呈线性，有上升图形出现，则说明 Vsb将有好转趋势。故两者必须兼顾。 五、结论 1．选用大功率管时，除了要考虑整机正常工作 的极限功率这一因素外，还要考虑功率管二次击穿 临界功率的限制。所以，不论在检测、使用晶体管时， 都要防止二次击穿的发生。不然管子是极易损坏 的。 2．二次击穿功率 Psb的考核，是对大功率管进 行筛选、淘汰潜在的早期失效产品的较好措施。由于 二次击穿是过热的考核，所以对质量好的功率管还 能起到电功率老炼、减小曲线漂移和稳定性能的作 用。 3．在测管子的二次击穿参数时，只要二次击穿 电压符合要求，就不必一定要将管子打到二次击穿 点。同时，测量次数应尽量少，时间尽量短。 4．由于晶体管的材料和制造工艺的不同，硅大 功率管的安全功耗，比锗管的余量要小。同时，因为 锗 PNP管的 BVceo较低，二次击穿功率 Psb一般大 于 Pcm。所以，对硅管进行二次击穿功率的筛选、淘 汰相对锗管而言，就更有其实用价值。 5．采用晶体管特性图示仪JT一1或QT～2，也 可以测量管子的二次击穿特性。因该仪器对被测管 子没有保护措施，所以测量时应特别小心，以防管子 烧毁。测试方法是：将阶梯曲线调至最多根数以上位 置 (JT一1为 10根以上，QT一2为12根以上)，将集 电极电流 ，c调节在预定范围，并将I 放置在适当位 置。在X轴上加电压，直至曲线达到规定的 Usb即 认为此管二次击穿电压符合要求。 6．在晶体管特性图赤仪上测大功率输出特性 曲线时，凡出现双线 (见图9)或曲线向上漂移速率 较快。说明管子承受功率余量不大，二次击穿耐量不 足，容易引起失效，应予剔除。 7．当在 QT一2仪器上测量功率管的二次击穿 特性参数时，若发现击穿电压指示突然跳跃式地上 升。则说明此管子内部质量存在稳患，可能已经击 穿。应予淘汰。 8．OT一2型二次击穿测试仪，是为测大功率 3 图9 输出特性为双线图形 一 一 一 ． 钡0试电路一一一一， I ． I 双稳态 ： 图 10a 原测试盒测量NPN型硅管线路原理图 一 一 一 t 钡j试电路一一一一， 双稳态 ： 图10b 原测试盒改动后测量PNP型硅管线路原理图 NPN型硅管设计的 (可测功率为500W 以内的晶体 管)。如要测PNP型硅管，测试盒部分可参考图 10电 路进行改动 (只适于直流法测试，脉冲工作状态不适 合)。 维普资讯 http://www.cqvip.com