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2011-05-04 16:30:25
节能灯功率管的失效机理分析
节能灯作为一种环保型的电源，在全世界得到了广泛的应用，国内节能灯的生产更是一枝独秀。作为节能灯（包括电子镇流器）的重要部件，大功率开关三极管的质量对节能灯的质量和寿命起着关键的作用。目前市场上除了仙童、ST等几个进口品牌外，国内的节能灯功率管质量都不够稳定。本文就大功率开关三极管在节能灯应用中的失效机理作出分析，并对影响失效的因素进行探讨。
2失效模式
节能灯损坏、寿命短的主要原因是大功率开关三极管的失效。通过对失效功率管的解剖分析，尽大多数失效管属发射结烧毁短路。用显微镜观察解剖的失效管子时，可以见到在发射区焊位四周有明显的烧毁发黑斑点（参见图1）。这是典型的烧毁现象。
三极管工作时，由于电流热效应，会消耗一定的功率，这就是耗散功率。耗散功率主要由集电极耗散功率组成：
PT≈VceIc即PT≈PCM
我们知道，三极管的工作电流受温度的影响很大。PN结的正向电流与温度的关系为：
I∝e－(Eg－qV)/kT
当三极管工作时，耗散功率转化为热，使集电结结温升高，集电结结电流进一步加大，会造成恶性循环使管子烧毁。这种情况叫热击穿。使管子不发生热击穿的最高工作温度定义为最高结温。硅材料PN结的最高结温是：
Tjm=6400/(10.45＋lnρ)
另一种情况，当管子未达到最高结温时，或者未超过最大耗散功率时，由于材料的缺陷和工艺的不均匀性，以及结构原因造成的发射区电流加紧效应，使得三极管的工作电流分布不均匀。当电流分布集中在某一点时，该点的功耗增加，引起局部温度增高，温度的增高反过来又使得该处的电流进一步增大，从而形成“过热门”，其温度若超过金属电极与半导体的共熔点，造成三极管烧毁。另一方面，局部的温升和大电流密度会引起局部的雪崩（击穿），此时的局部大电流能使管子烧通，使击穿电压急剧降低，电流上升，最后导致管子烧毁。这种情况就是所谓的二次击穿。三极管二次击穿的特性曲线如图2所示[1]。
NE5565的主要特点是：
●同一芯片可完成PFC和镇流器调光控制；
●AC电流谐波畸变很低；
●可变频率模式；
●可编程预热和点火，实现三步软启动；
●灯过压保护；
●可消除负载切断时产生的过冲，实现过压保护。
2. NE5565的主要功能
NE5565的典型应用电路如图3所示。T1为半桥振荡器的高频变压器，T2为灯电流检测变压器。
2.1 电压调整(稳压)器
VREF脚输出的7.42V参考电压作为控制逻辑电压的基准。Vcc通常为12.7V，输出VREF之前，Vcc至少为9.3V。在0～85℃范围内，VREF的精度为±3.5％。
2.2 灯电压调节器
在预热、点火和灯关断等条件下，必须限制灯负载两真个最高开路电压。在稳压工作期间，灯电压由灯的弧光电压控制，不受控制电路控制。VLAMP脚电压超过VREF时，灯电压比较器检测VLAMP脚电压。此间，灯电压达到最高答应开路电压值，通过快速频率增加电路使VLAMP电压减少。RXCX时间常数决定启动电路的频率偏移时间(比率为2∶1)。
2.3 低压锁定保护
当PFC和半桥控制电路应该导通或封闭时，保护电路利用施密斯触发器检测Vcc脚的DC电源电压，并决定电源电压的上限和下限解扣点。当Vcc从零伏升高到上限电压值(11V)之前，PFC和半桥控制电路维持关断状态，一旦Vcc超过上限电压，PFC和半桥振荡器电路就开始工作。当Vcc低于下限电压(10V)时，PFC和半桥电路则关断。Vcc超过上限解扣点之前， 不答应PFC和半桥振荡器工作。最小的延时由DMAX脚外部的元件设定。
2.4 灯启动与PFC过电压保护
半桥欠压锁定电路取样PFC的DC输出电压。PFC输出电压达到设定值(如400VDC)之前，欠压封闭电路禁止灯点火，当OV脚输进电压超过5/7 VREF时，逆变器频率就从灯预热时的最大值向灯正常点燃时的较低频率偏移，于是开始点火程序。
过压保护电路可防止PFC DC输出电压超过设定值。过压比较器输进脚OV电压远高于VREF时，PFC缓冲器栅极驱动输出OUTP被关断，以阻止PFC DC输出电压进一步增加。过压保护电路只保护PFC电路产生的过电压或
?VDD范围：0V～18V 中的MOSFET，IC提供自己产生的低电源电压； 利用在DTC脚和SGND脚之间连接的电阻器RDT来设定死区时间tdead,并且RDT=270tdead－70,RDT(min)=50kΩ,RDT(max)=1MΩ(RDT的单位为kΩ时，tdead的单位为μs)； 振荡器频率可调,当使用内部振荡器时，桥路（bridge）频率可利用外部电阻器ROSC和电容器COSC设定：fbridge=1/(2×8×ROSC×COSC),并要求ROSC=200kΩ～2MΩ； 内置PMOS高压移相器，以控制桥路使能功能； 具有封闭功能，只要在SD脚上的输进达到4.5V，全桥中的4只MOSFET则被关断。 3应用先容 UBA2030T典型应用主要是在高压的（HPS）灯和金属卤灯这类HID灯电子镇流器电路中作为全桥驱动器。 3.1基本应用电路 用UBA2030T作驱动器和HID灯为负载的全桥基本拓扑结构如图3所示。在这个应用电路中， 图3UBA2030T作驱动器、HID灯为负载的全桥基本电路 图4带外部控制电路的HID灯全桥拓扑结构 图5控制电路以桥路高端作参考的HID灯驱动器电路 图6用低压DC电源为内部电路 提供电流的HID灯全桥驱动器电路 BER脚、BE脚、EXO脚和SD脚都接系统地，没有使用桥路使能和封闭功能。当使用内部振荡器时，桥路换向频率由ROSC和COSC的取值决定。当HV施加电压超过振荡触发门限（典型值是15.5V）时，振荡器开始振荡。假如在HV脚上的电压降至振荡器停止门限（典型值是13V）电压，IC将重新进进启动状态。 一旦IC开始正常工作，在功率开关HL（Q1）和LR（Q4）导通时，HR（Q3）和LL（Q2）则截止；当HR（Q3）和LL（Q2）导通时，HL（Q1）和LR（Q4）则截止。UBA2030T提供的换向逻辑，保证了在HID灯中能产生交变电流。 HID灯的启动需要施加一个3kV～10kV的高压脉冲。由带负阻特性的触发元件、电容器和升压线圈等组成的点火器电路，在通电之后能产生足够使HID灯击穿的高电压，使灯引燃。为防止HID灯出现“声共振”现象，导致电弧不稳，烧坏灯管，对于HID灯驱动电路,往往还要采取“声共振”抑制措施。 3.2带外部振荡器控制的应用电路 图4示出的是带外部振荡器控制电路的HID灯全桥拓扑结构。在该应用电路中，UBA2030T的RC脚、BER脚和BE脚连接系统地，桥路换向频率由外部振荡器决定，封闭输进脚（SD脚）可以用作关断全桥电路中的全部MOSFET。 3.3控制电路以桥路高端作参考的HID灯全桥驱动器电路 UBA2030T在驱动HID灯全桥系统中作为换向器元件使用。HID灯的使用寿命依靠于通过石英壁的钠迁移量。为使钠迁移比率减至最小，HID灯以系统地为参考时，必须在负压下工作。图5示出的是控制单元以桥路高端作参考的HID灯全桥驱动器电路。在该应用电路中，BER脚和HV脚都连接到系统地。 图6所示的以桥路高端作为参考的又一种HID灯全桥驱动电路。BER脚连接系统地，通过HV脚流进IC内部低压电路的电流可以由低压DC电源（如电池）提供，如图6中虚线所示。RDT的数值在50kΩ与1000kΩ之间。当RDT=220KΩ时，死区时间tdead是1μs. 在任何应用中，在IC脚HV上的电压不能低于在VDD脚上的电压。否则，不论是在启动状态还是进进正常工作期间，全桥都不会正确工作。在启动阶段，IC的EXO脚和SD脚都应处于低电平。在EXO脚和SD脚的电压为时间函数时，其变化速率应大于5V/ms。高电平输进电流 使能激活 100 － 700 μA IIL 低电平输进电流 使能堵塞 0 － 20 μA 封闭 VIH 高电平输进电压 封闭激活：1ΔVSD/Δt15V/ms 4.5 － VDD? V VIL 低电平输进电压 封闭阻塞：1ΔVSD/Δt15V/ms 0 － 0.5 V II（SD） 输进电流 0 － 50 μA
