双极型开关管的合理置换

双极型开关管的合理置换无锡华润华晶微电子有限公司

2008年5月一、直接置换常见现象二、如何实现安全置换三、应用举例四、总结一、直接置换常见现象在线路应用中，由于种种原因设计师经常需要：国产开关管置换进口管国内不同生产厂家的开关管置换同一生产厂家的不同型号产品置换从设计、采购和生产安排等方面考虑，线路设计师总是希望选择的功率开关管能够直接置换、相互兼容。但有时直接置换的结果并不理想。直接置换的常见现象：1、完全满足使用要求。2、不能完全适用生产线上考核正常，但加严考核易失效（高压、高温）。部分性能不能满足设计要求：低压启动

负载功率

EMI生产线上出现大批量异常：批量失效不能启动1、开关管内在差异设计结构、生产工艺等的不同，造成不同生产厂家同规格的开关管，在参数指标相同的情况下产品的特性存在差异：温度特性的差异电流特性的差异特征频率特性的差异在不同工作电压下，高速开关转换中造成其匹配状态的变化不一致，引起开关管的功率损耗增大或其它异常情况。

置换异常的原因分析受产品价格竞争的影响，外围相关保护元件缩减或质次，压力转嫁到开关管上。追求产品外形的美观小巧，内部工作空间的压缩。不加或减小散热片面积，工作温度偏高。为降低成本，选用的开关管自身安全余量不充足。芯片面积越用越小封装小型化

2、线路成本压力导致对开关管的要求提高

二、如何实现安全置换要实现安全置换，需要关注以下方面：

1、选取合适参数的样管：

VCBOVCEO不能一味求高ICVCES结合成本，留有一定余量hFE

ts

尽量选择同原用范围一致tf

fT

对开关损耗有影响

实际应用中偶尔会出现超过晶体管击穿电压值的脉冲电压，但晶体管未损坏，应用的是晶体管VCER

。

2、合理的驱动设计，减低开关管的功耗1）开关管的功耗构成当晶体管作为开关应用时，在每一个周期内，晶体管都工作于三个不同的状态：截止、放大、饱和。因此，晶体管的功率损耗由三部分组成：通态损耗：饱和导通时的损耗

ICES×VCES断态损耗：晶体管截止时的损耗

VCE×ICEO

这部分功耗是微不足道的开关损耗：晶体管由饱和转换为截止或由截止转换为饱和时的损耗。在开启和关闭时间段内，晶体管压降和电流都比较大，占整个管耗的比重也比较大。开关损耗与电路参数的选择即匹配状态有很大关系。2）追求最佳匹配状态基极注入电流IB1：

IB1增大，有助于减小延迟时间和上升时间。

IB1过大会出现过饱和，使收集区储存电荷增多，对减小存储时间不利。基极抽取电流IB2：

IB2增加可减小存储时间和下降时间。增大IB2对开通时间ton不利。IB1等于2倍的集电极峰值电流除于该集电极电流下的β，与此同时IB2等于集电极峰值电流的一半时，集电极峰值电流的下降时间最小：

IB1=2Ic/βIB2=Ic/2在这样的偏置条件下，由于集电极电流的下降时间最小，所以集电极电流和电压的交叉时间也最小，开关功耗最小。实际的参数会有差别，要根据各种管子的特点和线路仔细调整，才能获得最佳匹配效果。

对双极型开关管的应用，线路匹配的关键就在于驱动电路的设计上。有时在用3DD13003的线路中直接置换3DD13005或3DD13007可能会更容易失效，不是因为耐压或电流不够，而是匹配状态不合适，引起开关损耗大增，开关管因温度过高而损坏。3、关于开关参数的影响正常生产中ts值高的晶体管代表着其整个生产线的工艺控制水平高、产生的工艺缺陷少。

ts值偏小：易出现低温低压启动性能差、功率低。在线路应用中ts值适用范围是很宽的，选取怎样参数的样管进行最佳匹配状态调试决定了该线路中ts值的最佳范围。通过专门的控制工艺，我们可以提供满足用户需要的不同ts值范围的产品。三、应用举例1、在节能灯中的置换应用应用实例：120/23W螺旋灯使用3DD128F（ts：2.2~3.5~5.2μs

，分档范围宽、通用性强）多年，一直质量稳定可靠由于成本方面的原因，改用国内其它厂家的稍小芯片晶体管（ts：2.0~2.5~3.0μs，分档范围窄）由于芯片面积减小，同时ts值也减小较多，要保持灯功率、低压启动等技术指标，其驱动回路的元件值进行了适当调整，也能大批量正常使用。根据市场形势的需要，我们选择送样了芯片面积接近的3DD128FH5D（ts值仍参照原使用范围提供了3.5μs以上的样品）进行置换，反馈高温考核易失效。通过对样灯进行测试比较，发现主要是由于样管的ts值偏大直接置换引起线路匹配不良、开关损耗增大（因为线路已按照ts值2~3μs进行了重新匹配调整）。通过加大启动电容C6可改善匹配状态。采用ts小的样管可满足使用要求。按照2.0~2.5~3.0μs进行分档供货，已大批量正常使用多时。2、在PC电源中的置换应用

某客户采用3DD13007在200W的PC开关电源中应用时，进行直接置换后试用效果好，晶体管的温升比进口管的低，满足各项技术指标，批量使用正常，失效率低、可靠性高。后突然反馈生产线上有大比例高压或重负载不启动现象，换用进口产品则能正常工作。经现场了解和测试比较，发现此现象与其采用不同厂家的驱动开关变压器有关。由于开关管频率特性的差异引起开关瞬态响应不同，造成开关变压器输出的电压脉冲峰值偏高，加上不同厂家的驱动开关变压器特性方面的差异，使该电压脉冲峰值偏高到一定的程度后引起保护电路的误动作而出现异常。通过对线路中有关元件值进行调整，降低电压脉冲峰值，使对应比较器正常产生翻转信号而不是提前动作产生异常保护。建议加大相关限流电阻值后实现了通用，效果良好。

四、总结在应用状况千差万别的工业大生产中要实现开关管的安全置换实非易事，除了开关管制造企业对其产品质量提供可靠保证以外，线路设计师还必须做到：合理选择合适开关管线路的合理匹配各元件均需保留适当的安全余量在成本、质量之间选择合理的平衡点开关管置换建议流程选择各项参数接近的待置换的开关管样品。按照正常工作电压进行线路调试，监测波形，重点检测开关管表面温度。结合具体产品的技术指标和考核要求，如有需要对驱动线路、负反馈深度进行合理调整。兼顾各项技术指标工作，逐步确定各元件标准：电压范围（高压、低压）工作环境（高温考核、低温启动）输出功率/负载

……在样品管满足线路所有设计指标后，选择不同参数的开关管检验线路对开关管各参数的宽容度：