1、三極管在電子鎮流器、節能燈應用中常見的幾個問題第三屆照明燈用電器附件及其配套電子元器件科技研討會專題報告文集 2002年6月杭州 一、三極管在電子鎮流器、節能燈電路中的作用 在交流電中，感抗與電感量及交流電頻率成正比（XL=2fL）。在需要同樣感抗的場合，提高交流電頻率就可以減少電感量。電感量的減少就意味著可以縮小鐵心截面，減少線圈圈數，因而可以減輕重量，減少鐵芯和漆包線的用量，減少鐵損、銅損。一個40W熒光燈在50周供電時需 用幾亨電感量的鎮流器，采用2OKHz-5OKHz供電后，只需幾毫亨，重量大大減輕，體積大大縮小，自身損耗也從原來的8W-9W減少到不到lW，如果加上變頻電路其它部分的損

2、耗，也不會超過lW-2W，這可以大大節省電耗，同時還能提高發光效率，降低頻閃。隨著電子技術水平的提高和經濟的發展，采用以上原理工作的電子鎮流器、電子節能燈開始被大量推廣使用，屬于同類應用場合的還有石英燈電子變壓器、開關電源等。 三極管在其中起著重要的變頻、換流作用，將50Hz整流后的帶紋波直流電，變換成20KHz-50KHz的高頻交流電。電子鎮流器最基本的電路見圖1二、三極管的幾個主要參數及選用1、電壓Vce的選用當線路正常接一熒光燈負載時，晶體管要承受的峰值集電極電壓等于Vcc(整流和濾波后的基本平滑的直流電壓)。對于220伏電源， VCC=VCM21/2311V，考慮到電網電壓圖 1的波動

3、，當網路電壓大到280伏時，VCC=28021/2396V. 晶體管承受電壓的能力有BVceo,BVcbo兩個指標。值得注意的是，在圖1的線路中，晶體管BE之間有R2(R3)，R4(R5)，L11（L12）連通，它們的直流電阻很小，在這種情況下，BVceo這個指標是沒有實際意義的，真正有意義的是BVcer，此時應接近BVcbo，只要加在CE兩端的實際電壓不超過它，晶體管就是安全的，而BVcbo值一般都大于BVceo。一個BVceo為380V的三極管，用在電子鎮流器上，當電網電壓上升到300伏時，鎮流器仍在可靠地工作，就是一個例子。同時也要指出的是，對于那種不用觸發管、BE間接有一電解電容的線路

4、，因BE間電阻很大，其BVcer值就會靠近BVceo,應適當考慮電壓余量。應該說，目前符合半導體廠家出廠標準，即BVceo400V的產品用戶在使用中是不會因為Bvceo不夠高而損壞的（采用升壓電路或高頻反饋式電路可以使線路直流電壓升高的除外）。從近十年用戶使用情況來看，由于生產廠家均能做到三極管BVceo400V，所以沒有發生過僅因三極管耐壓不夠而引起的燒管，出現僅因電壓擊穿導致的燒管時，只要電源電壓調到一定值，管子立即擊穿。2、集電極電流Ic及集電極耗散功率Pc2.1 T1、T2集電極電流額定值應從以下三個方面進行分析：1） 穩定條件下，所需要的峰值電流;2） 啟動條件下，所需要的峰值電流;

5、3）最佳管芯尺寸，以取得最低的管芯成本。穩定條件下：Ic(峰值)=管功率/管交流輸入電壓 按目前國內最常用的40W的燈管為例：管功率40W，燈管工作電壓=l00V，燈管電流完全符合正弦波的情況下計算出峰值電流約為0.566A。 當波峰系數1.4時，則應相應修正，另外還應考慮燈管啟動時峰值電流的增大。2.2 晶體管Ic額定值的選擇，實際上是和晶體管集電極耗散功率Pc同時考慮的。Pc的選擇應避免進人一個誤區。有人認為“40W的鎮流器應選40W的功率管，這顯然有誤，晶體管在鎮流器中的作用是閥門而不是蓄水池。三極管ICM指標是一個不加考核的指標，但它會在飽和壓降等指標上間接體現出來。在目前用戶的使用條

6、件下，三極管的Ic都會留有余量，不會單純因為Ic不夠而直接造成三極管損壞。 3、 從損壞機理分析引出的開關參數控制 隨著國內節能燈、電子鎮流器設計及生產工藝控制水平的提高，人們逐漸對節能燈、電子鎮流器用三極管的損壞機理達成了共識，認為:最終損壞是功率擊穿，即加在三極管上的電壓、電流超過了三極管的功率容限，即安全工作區(SOA）(圖2）。由于三極管的功率容限是隨著溫度上升而下降的（圖3)，為此，為防止三極管的損壞，必須控制三極管的發熱(即自身功耗)。 圖2 安全工作區 圖3 功率降額曲線 從圖2可以看到，SOA是-個由折線包圍的區域，當加在三極管上的電壓、電流坐標值超出曲線范圍時，三極管將發生功

7、率擊穿而損壞。實際使用中，某些開關電源，線路負載為感性，三極管關斷后電感負載產生的自感電動勢反峰電壓加在三極管CE之間，三極管必須有足夠的SOA、BVceo、BVcbo值。必須注意：目前一般三極管使用廠家不具備測試SOA的條件即使是有條件的半導體三極管生產廠家，具備該項測試條件，能夠測試出SOA參數值，但儀器每次測試出的也只是安全工作區的一個邊線點的數值，而不是它的全部，有可能在這一點上SOA值完全一樣的兩對三極管，在線路上一對三極管損壞了，另外一對卻不會損壞。 對于目前節能燈、電子鎮流器普遍采用的上、下管輪流導通工作的線路，電感負載產生的自感電勢反峰電壓是加在導通管上泄放的，所以目前普遍感到

8、三極管常溫下SOA值在節能燈、電子鎮流器線路中不是十分敏感。而降低三極管的發熱損耗卻引起了業內人士的普遍關注，這是因為三極管的二次擊穿容限是隨著溫度的升高而降低的（圖3）。 三極管在電路中工作一段時間以后，因線路元器件發熱，包括管子本身的發熱、溫度不斷上升導致管子hFE增大，開關性能變差，二次擊穿特性下降。反過來進一步促使管子發熱量增大，這種惡性循環最終導致三極管擊穿燒毀。因此，降低三極管本身的發熱損耗是提高三極管使用可靠性的重要措施。 在開關工作狀態下，在晶體三極管上消耗的功率由以下三部分組成： WOFF=VCEI WON=VCESIC W過渡=VtItt/t(0t Vt It dt/t)晶

9、體管截止時，顯然VCE很大（等于直流電源電壓），但是由于晶體管的漏電流非常小，所以這部分功耗是極小的；晶體管導通時，IC由負載所需電流決定，VCES是晶體管在負載電流條件下的飽和壓降，這部分耗散功率占有一定比例，但變化余地不大；晶體管由飽和轉為截止，由截止轉為飽和的過渡時期。這部分的耗散功率所占的比重較大，而且與線路參數的選擇及三極管的上升時間tf、下降時間tr有很大的關系。圖4為三極管的開關損耗波形圖，比較直觀地顯示了以上三部分功率損耗數量的關系。 最近這幾年，MOTOROLA、ST都已推出了節能燈、電子鎮流器專用三極管，例如BUL45、BUL38D、BUL128D等，三星則在原MJE130

10、00系列產品的基礎上進行改進，大幅度提高了性能，它們都充分注意到了降低產品的開關損耗。 深愛半導體也充分注意到了這一點，近年來投入大量的人力物力對節能燈、電子鎮流器用三極管從產品設計、工藝等方面作了針對性的改進，開發出節能 圖4 三極管開關損耗波形圖燈、電子鎮流器專用三極管BUL6800系列，同時對13000系列產品進行了優化，大幅度提高了產品性能。目前，國內產品已占據了中國節能燈、電子鎮流器用三極管的大部分市場。 與此同時，普遍認為對磁環參數的控制具有非常重要的意義。很顯然的原因即在于磁環參數的變化會引起三極管Ib的變化，影響三極管上升、下降時間。三極管驅動過度以及驅動不足均可以造成三極管嚴

11、重發熱燒毀；三極管驅動不足還可以造成三極管在冷態啟動時瞬時擊穿損壞。因為這可導致三極管進入放大區，其功耗大大超過其允許值（在未加散熱片的情況下，一個TO-220封裝的三極管的允許功耗為1.5W）。 還值得一提的是，在芯片面積一定的情況下，三極管開關特性、電流特性與耐壓參數是矛盾的，國內市場早期曾一度用BUT11A來做220V40W電子鎮流器，其出發點是其BVCEO（450V）、BVCBO（1000V）值高，但目前已極少有人這樣做了。這說明BVCEO=400V已廣泛被人接受，BVCBO=550V的國產MJE13001也已被廣泛接受。也就是說，在目前絕大部分電子鎮流器線路中，沒有必要過高選擇三極管

12、電壓參數這一理念已被廣泛接受。4、放大倍數hFE和貯存時間ts 相當一段時間以來各應用廠家都比較重視三極管hFE參數，不僅對用在同一線路上的上、下兩只三極管要求配對一致，對hFE的數值范圍也有一定的要求。 目前，在開關應用狀態下，hFE的選用有以下認識： 1）有資料介紹：“理論上，hFE應盡可能高，以便用最小的基極電流得到最大的工作電流，同時給出盡可能低的飽和電壓，這樣就可以同時在輸出和驅動電路中降低損耗。但是，其它方面的折衷考慮，例如開關速度和電流容限，則限制hFE的最大值（熒光燈電子控制 AN1049 JNAPPE T SPANGLEX MOTOROLA 美國）。 2）國內廠家早期曾經傾向

13、于選用hFE較小的，一度hFE=1015，甚至hFE=810的三極管很受歡迎（后期由于基極回路采用電容觸發線路的流行，hFE值的選用又有所上浮），采用較小的hFE其目的是為了降低晶體管的發熱，進一步從理論上分析是為了降低晶體管的飽和深度。實際上，晶體管的飽和深度受Ib、hFE兩個因素的制約，因此不一定要過分靠選擇hFE參數，通過磁環及繞組參數、基極電阻Rb的調整，也可以解決這一問題。 這里說的hFE指的是工作電流下的hFE，小電流下的hFE一般會小于工作電流下的hFE。小電流hFE如果太小會在某些場合影響節能燈的啟輝，但可以用調整電路參數的方法解決。而且早期用戶用萬用表或工作電流很小的儀表測h

14、FE會因此對hFE的離散性不滿意。SIPOS工藝對三極管小電流hFE有一定影響，但目前在采取工藝改進措施后，小電流hFE已有很大改進，在Ic=10mA下的hFE8不會對使用造成影響。 到了現階段，對三極管hFE參數的討論已經離不開對存貯時間ts的討論。 由于早期三極管的hFE參數曾經與貯存時間ts相關，一般hFE大的三極管ts也較大。當時人們對ts的認識以及ts的測試儀器均較欠缺，人們更依賴于對hFE參數選擇作為控制節能燈、電子鎮流器參數的手段。這幾年，國外MOTOLORA、ST、三星新推出的節能燈、電子鎮流器專用三極管都十分注重對三極管貯存時間ts的控制，三極管貯存時間過長，電路的振蕩頻率將

15、下降，整機工作電流增大易導致其損壞（表1）。雖然，可以調整扼流圈電感及其他元器件參數控制整機功率（工作電流），但三極管ts的離散性，將使該產品的整機參數嚴重偏離、可靠性下降。在石英燈電子變壓器線路中，存貯時間太大的晶體管可能引起電路在低于輸出變壓器的工作極限的頻率振蕩，引起每個周期的末端磁芯飽和，這使得晶體管IC在每個周期引出尖峰，最后導致器件過熱損壞。如果同一線路上的兩個三極管的貯存時間相差太大，整機工作電流的上下半波將嚴重不對稱（圖5），負擔重的那個三極管將容易損壞，線路也將產生更多的諧波，產生更多的電磁干擾。 圖5 兩個不同ts三極管用于同一線路的Ic波形 在三極管的貯存時間得到控制以后，以上 問題均得到很好的解決。同時，人們對hFE參數的依賴將進一步淡化。我們最近給一家廠家提供了大批量的BUL6825D，用來代替該廠家原來使用的進口ST的BUL128D。我們對產品存儲時間作了較為嚴格的控制，但三極管的放大倍數hFE則范圍很大，以25-30為主，加上一部分20-25的產品，還有不少很多用戶都不喜歡的30-40的產品，但該用戶在使用中沒有發現有何不好的現象。放大倍數hFE對上機使用的影響明顯小于ts的影響（表2）。表1、同一線路不同ts三極管振蕩頻率、輸入功率對照表表2、同一線路ts相近，不同hFE三極管振蕩頻率、輸入功率對照表（ts=0.8-