1、第五章 电子镇流器用二极管及三极管 第一节 半导体二极管的特性和参数 一、半导体二极管的伏安特性,一、正向特性 由图可以看出，当所加的正向电压为零时，电流为零；当正向电压较小时，由于外电场远不足以克服PN结内电场对多数载流子扩散运动所造成的阻力，故正向电流很小（几乎为零），二极管呈现出较大的电阻。这段曲线称为死区。 当正向电压升高到一定值U（Uth ）以后内电场被显著减弱，正向电流才有明显增加。U 被称为门限电压或阀电压。U视二极管材料和温度的不同而不同，常温下，硅管一般为0.5V左右，锗管为0.1V左右。在实际应用中，常把正向特性较直部分延长交于横轴的一点，定为门限电压U的值，如图中虚线与U
2、轴的交点。 当正向电压大于U以后，正向电流随正向电压几乎线性增长。把正向电流随正向电压线性增长时所对应的正向电压，称为二极管的导通电压，用UF来表示。通常，硅管的导通电压约为0.60.8V （一般取为0.7V），锗管的导通电压约为0.10.3V （一般取为0.2V）。,二、反向特性 当二极管两端外加反向电压时，PN结内电场进一步增强，使扩散更难进行。这时只有少数载流子在反向电压作用下的漂移运动形成微弱的反向电流IR。反向电流很小，且几乎不随反向电压的增大而增大（在一定的范围内），如图Z0111中所示。但反向电流是温度的函数，将随温度的变化而变化。常温下，小功率硅管的反向电流在nA数量级，锗管的
3、反向电流在A数量级。三、反向击穿特性 当反向电压增大到一定数值UBR时，反向电流剧增，这种现象称为二极管的击穿，UBR（或用VB表示）称为击穿电压，UBR视不同二极管而定，普通二极管一般在几十伏以上且硅管较锗管为高。 击穿特性的特点是，虽然反向电流剧增，但二极管的端电压却变化很小，这一特点成为制作稳压二极管的依据。,二、整流二极管的主要参数 1N系列常用整流二极管的主要参数,1.5A整流管,2A整流管,3A整流管,第二节 二极管的动态开关特性,二、反向恢复时间的产生原因电荷存储效应,快恢复整流二极管参数,第三节 双极型三极管的开关特性,一、三极管的三个工作区：、关断截止区：截止状态条件：发射结
4、反偏特点：电流约为0ui 、ube 、ubc 0 ；ic 0、 uce vcc、饱和区：饱和状态条件：发射结正偏，集电结正偏特点：UBES=0.7V，UCES=0.3V/硅ib = vcc/RC; ICS = vcc/RC、uce = 0.1 0.3V、线性区：,二、双极型三极管的开关时间,三极管的开关时间（动态特性） (1) 开启时间ton 三极管从截止到饱和所需的时间。ton = td +trtd ：延迟时间 tr ：上升时间 (2) 关闭时间toff 三极管从饱和到截止所需的时间。toff = ts +tf ts ：存储时间几个参数中最长的；饱和越深越长 tf ：下降时间 toff to
5、n 。 开关时间一般在纳秒数量级。高频应用时需考虑。,三、影响三极管开关时间的因素,、增大基极正向电流 ib1 则 td、tr 减小、ts 加大。 、加大基极反向偏压，基极反向电流- ib1加大 ts减小， ton = td + tr 加大. 、加速电容器: 、导通时，输入电压由负变正，由于电容器上的电压不能突变，相当基极电阻被短路。输入电压全部加在基极上，有很大的基极电流， td、tr 减小，缩短了三极管的开启时间。 、随着电容器充电ib1逐渐减小， ib1稳定在VIN/R1.截止时，输入电压由正变负，方向与加速电容器上的电压相同、相加，得到大的基极反向偏压，减小了管子的.截止时间。,加速电
6、容器的效果图,PHE13005静态参数表,PHE13005热、动态参数表,第四节 双极型三极管的开关损耗,一、三极管的开关功率损耗计算,具体计算公式如下： 、截止损耗：P1 = ICO * VCC * T2/ T 、导通损耗：P2 = ICs * VCe * T1/ T 、过渡损耗、截止到导通的损耗：P3 = 0tr ICs * tr / t * VCC (VCC - VCe) * tr / t dt = (VCC + 2 VCe) * ICs * tr /6T、导通到截止的损耗：P4 = 0tf ICs *(1- tf / t ) * VCe (VCC - VCe) * tf/ t dt 、
7、总损耗等于4项损耗之和,二、减小三极管损耗的措施,、晶体管饱和压降VCe（sat)要小。 、晶体管截止漏电流ICO要小。 、晶体管的导通、关断时间 tr 、 tf ，使晶体管不进入深饱和。 、晶体管存储时间ts对导通时间有影响，如两管存储时间不同，则两管波形、负担不对称，温升不同、谐波加大。 、降低振荡频率。 、采取散热措施，防止晶体管参数恶化，损耗增加。,第五节 双极性三极管的安全工作区 在电子镇流器中，三极管在高温、高压、大电流的条件下，担负着高频功率源的作用。所以必须了解三极管的安全工作区。,一、功率三极管的安全工作区：,三极管损坏原因分析之一： 最终损坏是功率击穿，即加在三极管上的电压
8、、电流超过了三极管的功率容限，即安全工作区（SOA）。由于三极管的功率容限是随着温度上升而下降的，为此，为防止三极管的损坏，必须控制三极管的发热（即自身功耗）。三极管因耐压不够而击穿损坏的说法已被业内人士抛弃，比较认同的说法是功率击穿，而且是因为三极管发热造成三极管功率耐量降低后的功率击穿是灯用三极管损坏的主要原因。降低三极管本身的发热损耗是提高三极管使用可靠性的重要措施。 初期曾经听到有人说“40W的镇流器应选40W的功率管”，这显然有误，晶体管在镇流器中的作用是“阀门”而不是“蓄水池”。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： WOFF=VCEI WON=VCE
9、SIC W过渡=VtItt/t(0t Vt It dt/t),二、二次击穿（S/B）现象 、一次击穿：而且IB愈大，击穿电压愈低，称这种击穿为“一次击穿”。 、二次击穿：晶体管一次击穿后，集电极电流会聚然增大，若不加以限制，则晶体管的工作点变化到临界点A时，工作点将以高速从A点到B点，此时电流猛增，而管压降却减小，称“二次击穿”。,BUL128安全工作区,第六节 半桥电路中双极型三极管工作状态与管型的选择,一、三极管的工作状态：随着“为防止三极管的损坏，必须控制三极管的发热”，三极管的发热越来越低，三极管越用越小，线路对三极管的驱动也越来越临界。 “瞬态冷爆”的问题也开始越来越突出。在生产中，
10、有少量产品开机即爆三极管三极管并没有发热，一通电就炸了。由于出问题的比例太低，问题又在瞬间发生，这种问题采用稳态分析的方法是很难找到原因的，三极管“瞬态冷爆”的时候，能量很大，有的时候TO-220封装的三极管都炸裂了。 三极管在电子镇流器中工作在开关工作状态，必须保证在任何情况下三极管在该饱和的时候充分饱和，该截止的时候彻底截止。三极管饱和的条件是HfeIbIc。 在大批量生产中线路对三极管的驱动越来越临界的情况下，遇到环境温度低，个别灯管启辉特性较差、磁环参数偏小、三极管Ts、Hfe偏小等情况下，就可能出现个别三极管驱动不足，进入放大区而瞬时爆管。 国外应用研究成果： “在负载很大的情况下，
11、例如短路保护、灯冷态启动，三极管的Ic很大，无法满足饱和导通的条件，VceVceset，三极管的导通损耗增大，一般持续数百微秒。MOTOROLA”,图上面部分是三极管集电极-发射极之间的电压Vce，下面部分是三极管集电极电流Ic。工作原理和灯启辉时类似。 开始正常工作时，Ic为工作电流，约3-4A，Vce为正常饱和电压，约1V；电路进入短路工作状态以后，Ic急剧上升，达到3.756=22.5A，Vce已达到超过501V。三极管驱动不足脱离饱和区进入放大区。功率损耗达20A50V = 1000W。 .,瞬态冷爆波形图,二、双极型三极管的选择,1、集射极间的反向耐压BVCE:、VDC 1.414V
12、1 当V1 = 280伏时， VDC = 396伏400伏，、 一般选BVCEO = 400伏, BVCER BVCEO = 700伏。、 BVCEO小VCE(SAT)、tr、tf、ts、损耗、温升亦小，反之亦然。 2、集电极电流IC:、按灯功率PLA、管电压ULA选择： IC =1.414 PLA/ ULA,、考虑波峰系数（CCF）、启动电容电流则 IC =1.53 PLA/ ULA，、有功率因数校正电路，选 CCF=1.92.2。 3、开关参数tr、tf、ts贮存时间，是电路工作周期的一部分，它影响电路的振荡频率。三极管贮存时间过长，电路的振荡频率将下降，整机工作电流增大易导致其损坏。虽然
13、，可以调整扼流圈电感及其他元器件参数控制整机功率（工作电流），但三极管ts的离散性，将使该产品的整机参数严重偏离、可靠性下降。在石英灯电子变压器线路中，存贮时间太大的晶体管可能引起电路在低于输出变压器的工作极限的频率振荡，引起每个周期的末端磁芯饱和，这使得晶体管IC在每个周期引出尖峰，最后导致器件过热损坏。如果同一线路上的两个三极管的贮存时间相差太大，整机工作电流的上下半波将严重不对称，负担重的那个三极管将容易损坏，线路也将产生更多的谐波，产生更多的电磁干扰。, 磁环有效导磁率、磁环绕组圈数和三极管存储时间ts参数的配合，已经成了三极管能否可靠工作的重要因素。 世界各国磁环有效导磁率的出厂标准
14、都是25（两头相差50），TDK（厦门）的技术人员说要做到有效导磁率5（两头相差10），磁环合格率就会下降； 三极管存储时间ts参数的一致性，进口的三极管比国产的好一些，但也有一定的离散性（ST认为双极型三极管的ts是不可能做得很一致的）。可以将国产三极管ts参数的离散性和磁环有效导磁率的离散性相互配合，用三极管ts大的配磁环有效导磁率小的，用三极管ts小的配磁环有效导磁率大的，照样可以使节能灯电子镇流器可靠工作。 ts到底是大好还是小好？在现阶段，在某一个范围内，不能说ts到底是大 好还是小好，例如13005的ts，2.5、3.5、4.5，都有与之适应的灯电路，可以使用，不能说一定哪个好。但
15、是，对于已经确定了相应元件参数的某一线路，则一定有一个与其相适应的参数范围，例如2.5-3.5。从整个行业来说，在某一时期，三极管生产厂家与用户会形成一个通行的参数范围。 。,随着低成本双极型三极管应用范围的进一步扩大，使用频率的提高，双极型三极管存储时间ts参数的矛盾将会进一步突出，需要进一步研究解决问题的办法 注意三极管供货渠道Ts参数的连续性和可预约性；不能在不调整线路参数的情况下更换三极管供货渠道（多个实例证明会提高损坏率）ts到底是大好还是小好？在现阶段，在某一个范围内，不能说ts到底是大 好还是小好，例如13005的ts，2.5、3.5、4.5，都有与之适应的灯电路，可以使用，不能
16、说一定哪个好。但是，对于已经确定了相应元件参数的某一线路，则一定有一个与其相适应的参数范围，例如2.5-3.5。从整个行业来说，在某一时期，三极管生产厂家与用户会形成一个通行的参数范围。 随着低成本双极型三极管应用范围的进一步扩大，使用频率的提高，双极型三极管存储时间ts参数的矛盾将会进一步突出，需要进一步研究解决问题的办法。 注意三极管供货渠道Ts参数的连续性和可预约性；不能在不调整线路参数的情况下更换三极管供货渠道（多个实例证明会提高损坏率）,4、放大倍数hFE 、“理论上，hFE应尽可能高，以便用最小的基极电流得到最大的工作电流，同时给出尽可能低的饱和电压，这样就可以同时在输出和驱动电路
17、中降低损耗，开关速度和电流容限，则限制hFE的最大值。 MOTOROLA 、国内早期倾向于选用hFE较小的，一度hFE=10-15，甚至hFE=8-10。hFE大的三极管一般其下降时间tf也长，三极管容易发热，从理论上分析是为了降低晶体管的饱和深度。 、在现阶段三极管放大倍数用在20-30（必要时25-35），可以保证三极管充分饱和、彻底截止。对解决低电压及低温启辉炸管、因灯管参数偏差启辉炸管等都很有效。一是基极回路电容触发电路的大量使用，需要三极管hFE大一些；另一方面是因为对过驱动发热损坏三极管理论认识的普及，对驱动不足损坏三极管的一种本能补偿。 、三极管hFE的选用还可能继续往大的方向发
18、展。初期日立的C2611、 hFE =80在节能灯中被大量使用；三星的灯用三极管hFE =25-35，也是这方面的实际例证。5、二次击穿及安全工作区 、SOA值在节能灯、电子镇流器线路中不是十分敏感。而降低三极管的发热损耗起了普遍关注，这是因为三极管的二次击穿容限是随着温度的升高而降低的。 、当用户的线路出现大的电流、电压同时冲击的情况时，用SOA值高的三极管就不容易损坏。由于三极管制造工艺的原因，BVCEO高的三极管一般SOA也高，在用户无法直接测试三极管的SOA值时，可以选用BVCEO高的三极管解决。,第七节 高频高增益的双极器件,NPN是主晶体管，D为续流保护二极管，PNP型晶体管作为有
19、源抗饱和网络。当NPN管饱和导通以后，当基极驱动电压满足Vbe（npn）VBE(PNP)+Vces(NPN)时，PNP管导通，将基极驱动电流分流，使NPN晶体管不会出现深饱和，当外电路驱动电流减弱时，仅减小分流电流，不影响NPN管饱和导通。这样，NPN管选用大的hFE值，外电路元件的不一致性 带来的过驱动，导致的过饱和现象得到自动抑止，改善了开关特性，提高了大批量生产时的工艺宽容度。 采用抗过驱动带D系列产品，可以把线路的基极驱动加强，避免三极管Ic、Vce严重交叉而瞬时爆管；， 但是又不会高温时因过驱动烧管。对解决低温时要求驱动很强，以利灯的顺利起辉，高温时不因过驱动烧管也很有效。,一、场效应管的特性曲线,各种MOSFET的符号和特性曲线,IRF830特性曲线,IRF830静态参数,二、MOS场效应管与BJT双极型器件特性比较,三、 MOS场效应管的驱动电路,四、 MOS场效应管的安全工作区,
