节能灯和电子整流器三极管参数的选择指南

除了BVceo、BVcbo、Iceo、hFE、Vces、Ic等常规参数要求之外，低频管只有特征频率的要求(一般在几兆数量级)。但是，特征频率是对正弦波线性放大的要求，与开关工作状态下三极管开关参数不是一个概念。另外，由于认识水平和国内硬件条件的限制，妨碍了人们对灯用三极管的参数进行有效的控制和鉴别。本文试图将节能灯和电子镇流器用三极管的选择做一些总结，以便充分了解应用过程中三极管的损坏机制。
  完整的功率容限曲线
  降低三极管的发热损耗
  放大倍数hFE和贮存时间ts
  完整的功率容限曲线
  功率容限(SOA)是一个曲线包围的区域(图1)，当加在三极管上的电压、电流坐标值超过曲线范围时，三极管将发生功率击穿而损坏。在实际应用中，某些开关电源线路负载为感性，三极管关断后，电感负载产生的自感电势反峰电压加在三极管的CE极之间，三极管必须有足够的SOA、BVceo和BVcbo值才能承受这样的反压。
  
  　　必须注意：目前一般三极管使用厂家不具备测试SOA的条件，即使是有条件的半导体三极管生产厂家，具备测试该指标的能力，但是仪器测试出的往往只是安全工作区边界点上的数值，而不是SOA曲线的全部。这样就有可能出现：在一点上SOA值完全一样的两对三极管，实际线路上使用过程中，一对三极管损坏了，而另外一对却没有损坏。
  因此，在选择灯用三极管的过程中，一定要找到器件生产厂家提供的完整SOA曲线。
  降低三极管的发热损耗
  目前，节能灯、电子镇流器普遍采用上下管轮流导通工作的线路，电感负载产生的自感电势反峰电压经由导通管泄放，所以普遍感到三极管常温下SOA值在节能灯、电子镇流器线路中不十分敏感。而降低三极管的发热损耗却引起了业界的普遍关注，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(图2)。
  
  　　三极管在电路中工作一段时间以后，线路元器件会发热(包括管子本身的发热)，温度不断上升导致三极管hFE增大，开关性能变差，二次击穿特性下降。反过来，进一步促使管子发热量增大，这样的恶性循环最终导致三极管击穿烧毁。因此，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。
  实验表明：晶体管截止状态的功耗很小；导通状态的耗散占一定比例，但变化余地不大。晶体管耗散主要发生在由饱和向截止和由截止向饱和的过渡时期，而且与线路参数的选择及三极管的上升时间tr、下降时间tf有很大关系。
  最近几年，业界推出的节能灯和电子镇流器专用三极管都充分注意到降低产品的开关损耗，例如，国产BUL6800系列产品在优化MJE13000系列产品的基础上，大幅提高了产品的开关损耗性能。
  此外，控制磁环参数也有利于控制损耗。因为磁环参数的变化会引起三极管Ib的变化，影响三极管上升和下降时间。三极管过驱动可以造成三极管严重发热烧毁，而三极管驱动不足，则可能造成三极管冷态启动时瞬时击穿损坏。
  放大倍数hFE和贮存时间ts
  三极管的hFE参数与贮存时间ts相关，一般hFE大的三极管ts也较大，过去人们对ts的认识以及ts的测量仪器均较为欠缺，人们更依赖hFE参数来选择三极管。
  在开关状态下，hFE的选择通常有以下认识：第一、hFE应尽可能高，以便用最少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中降低损耗。
  实际上，晶体管的饱和深度受到Ib、hFE两个因素的影响，因而通过磁环及绕组参数、基极电阻 Rb的调整，也可以降低饱和深度。
  目前，业界推出的节能灯和电子镇流器专用三极管都十分注重对贮存时间的控制。因为贮存时间ts过长，电路的振荡频率将下降，整机的工作电流增大易导致三极管的损坏。虽然可以调整扼流圈电感及其他元器件参数来控制整机功率，但ts的离散性，将使产品的一致性差，可靠性下降。例如，在石英灯电子变压器线路中，贮存时间太大的晶体管可能引起电路在低于输出变压器工作极限的频率振荡，从而造成每个周期的末端磁芯饱和，这使得晶体管Ic在每个周期出现尖峰，最后导致器件过热损坏(图3)。

  实际使用表明，严格控制贮存时间ts并恰当调整整机电路，就可以降低对hFE参数的依赖程度。还值得一提的是，在芯片面积一定的情况下，三极管特性、电流特性与耐压参数是矛盾的，中国市场曾经用BUT11A来做220V40W电子镇流器，其出发点是BVceo、BVcbo数值高，但是目前绝大部分电子镇流器线路中，已经没有必要过高选择三极管的电压参数。
  图3：两个不同贮存时间的三极管用于同一线路的Ic波形图。
  一，完整的功率容限曲线
  　　功率容限(SOA)是一个曲线包围的区域(图1)，当加在三极管上的电压、电流坐标值超过曲线范围时，三极管将发生功率击穿而损坏。在实际应用中，某些开关电源线路负载为感性，三极管关断后，电感负载产生的自感电势反峰电压加在三极管的CE极之间，三极管必须有足够的SOA、BVceo和BVcbo值才能承受这样的反压。
  　　必须注意：目前一般三极管使用厂家不具备测试SOA的条件，即使是有条件的半导体三极管生产厂家，具备测试该指标的能力，但是仪器测试出的往往只是安全工作区边界点上的数值，而不是SOA曲线的全部。这样就有可能出现：在一点上SOA值完全一样的两对三极管，实际线路上使用过程中，一对三极管损坏了，而另外一对却没有损坏。
  　　因此，在选择灯用三极管的过程中，一定要找到器件生产厂家提供的完整SOA曲线。
  二，降低三极管的发热损耗
  　　目前，节能灯、电子镇流器普遍采用上下管轮流导通工作的线路，电感负载产生的自感电势反峰电压经由导通管泄放，所以普遍感到三极管常温下SOA值在节能灯、电子镇流器线路中不十分敏感。而降低三极管的发热损耗却引起了业界的普遍关注，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(图2)。
  　　三极管在电路中工作一段时间以后，线路元器件会发热(包括管子本身的发热)，温度不断上升导致三极管hFE增大，开关性能变差，二次击穿特性下降。反过来，进一步促使管子发热量增大，这样的恶性循环最终导致三极管击穿烧毁。因此，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。
  　　实验表明：晶体管截止状态的功耗很小；导通状态的耗散占一定比例，但变化余地不大。晶体管耗散主要发生在由饱和向截止和由截止向饱和的过渡时期，而且与线路参数的选择及三极管的上升时间tr、下降时间tf有很大关系。
  　　最近几年，业界推出的节能灯和电子镇流器专用三极管都充分注意到降低产品的开关损耗，例如，国产BUL6800系列产品在优化MJE13000系列产品的基础上，大幅提高了产品的开关损耗性能。
  　　此外，控制磁环参数也有利于控制损耗。三极管过驱动可以造成三极管严重发热烧毁，而三极管驱动不足，则可能造成三极管冷态启动时瞬时击穿损坏。
  三，放大倍数hFE和贮存时间ts
  三极管的hFE参数与贮存时间ts相关，一般hFE大的三极管ts也较大，过去人们对ts的认识以及ts的测量仪器均较为欠缺，人们更依赖hFE参数来选择三极管。
  　　在开关状态下，hFE的选择通常有以下认识：第一、hFE应尽可能高，以便用最少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中降低损耗。
  　　但是，如果考虑到开关速度和电流容限，则hFE的最大值就受到限制；第二、中国的厂家曾经倾向于选用hFE较小的器件，例如hFE为10到15，甚至8到10的三极管就一度很受欢迎(后来，由于基极回路流行采用电容触发线路，hFE的数值有所上升)，hFE的数值小则饱和深度小，从而有利于降低晶体管的发热。
  　　实际上，晶体管的饱和深度受到Ib、hFE两个因素的影响，因而通过磁环及绕组参数、基极电阻Rb的调整，也可以降低饱和深度。
  　　目前，业界推出的节能灯和电子镇流器专用三极管都十分注重对贮存时间的控制。因为贮存时间ts过长，电路的振荡频率将下降，整机的工作电流增大易导致三极管的损坏。例如，在石英灯电子变压器线路中，贮存时间太大的晶体管可能引起电路在低于输出变压器工作极限的频率振荡，从而造成每个周期的末端磁芯饱和，这使得晶体管Ic在每个周期出现尖峰，最后导致器件过热损坏(图3)。
  　　如果同一线路上的两个三极管贮存时间相差太大，整机工作电流的上下半波将严重不对称，负担重的那只三极管将容易损坏，线路也将产生更多的谐波和电磁干扰。
  　　实际使用表明，严格控制贮存时间ts并恰当调整整机电路，就可以降低对hFE参数的依赖程度。还值得一提的是，在芯片面积一定的情况下，三极管特性、电流特性与耐压参数是矛盾的，中国市场曾经用BUT11A来做220V40W电子镇流器，其出发点是BVceo、BVcbo数值高，但是目前绝大部分电子镇流器线路中，已经没有必要过高选择三极管的电压参数。