功率二极管

2024-10-04

功率二极管（共5篇）

功率二极管篇1

0 引言

大功率防雷击二极管在国外大都采用塑料封装结构, 这种结构的主要问题是可靠性不是特别高, 使用环境受到一定的限制, 而本方案采用的金属封装结构, 则是全密封封装结构, 内部结构设计更合理, 具有更高的可靠性型。

1 实际大功率和防雷击需要解决的问题

要实现产品同时具有大功率和防雷击两大功能, 必须解决三项关键技术问题: (1) 大功率防雷击二极管二极管管芯制造技术; (2) 大面积PN结台面造型和钝化技术; (3) 解决无空洞焊接技术难题, 降低热阻、提高瞬态功率。并通过采用新型的电极材料, 从而使产品具备大功率和防雷击功能。

2 解决措施

研制大功率防雷击二极管所需要的材料有:制作管芯的硅片、铜引线、管座、铜片、焊片、管帽、上引线, 针对产品的特点, 重点解决以下三项关键技术问题, 使生产线能够具备大功率防雷击二极管产品组装工艺技术。

(一) 大功率硅瞬态电压抑制二极管管芯制造技术

在芯片单位面积一定时, 要提高产品的瞬态脉冲功率, 必须解决PN结结面的平整性和均匀性问题, 工厂将通过严格控制原材料质量、采用恰当的扩散方法来解决这一问题, 从而提高管芯的抗浪涌能力。

(二) 攻克大面积PN结台面造型技术

对于大功率防雷击二极管来说, PN结台面选型的好坏以及PN结台面的钝化效果都将严重影响器件的瞬态脉冲功率, 可采用吹砂成型技术和酸、碱腐蚀工艺来解决PN结台面选型。

(三) 解决无空洞焊接技术难题, 降低热阻、提高瞬态功率

焊接质量的好坏, 对硅瞬态电压抑制二极管瞬态功率的影响非常大, 可通过提高管芯背面金属化层质量、优化烧焊炉炉温、调整烧焊保护气体等措施, 达到全面解决无空洞焊接的技术难题, 进一步降低热阻, 提高瞬态脉冲功率。

(四) 主要研究研究内容得出的结论

(1) 针对PN结结面的平整性和均匀性以及提高抗浪涌能力的问题, 我们在PN结制造上采用纸源扩散代替原有的涂源扩散, 在材料的选择上采用热传导性能更好的钼铜合金作为与管芯接触的电极材料。

(2) 如图所示面积由高浓度侧向低浓度侧方向减少的磨角, 称正斜角。正斜角使表面空间电荷区向上弯曲, 由于低掺杂区的弯曲程度上大于高掺杂区, 因此表面空间电荷区变宽, 表面电场强度下降。

正斜角的特点: (1) 最大电场强度值随倾斜角减小而单调下降。 (2) 即使是90°的斜角 (不磨角) , 表面最大电场强度始终低于体内最大电场强度。 (3) 最大电场强度的位置随斜角减小而远离PN结。

对于大功率瞬态电压抑制二极管我们所希望的芯片造型为正斜角造型, 使PN结击穿尽可能发生于体内, 提高器件承受瞬态脉冲功率能力和可靠性。

(3) 烧焊工艺效果的优劣取决于浸润程度, 即熔融的焊料在焊接表面的流动扩散情况。在烧焊过程中会有大量的气体产生:焊料中的焊剂挥发产生的气体、装架时裹带的空气和焊料熔化时产生的气体。如果这些气体不能排放出去, 就会存在于熔化的焊料层中, 影响焊料在焊接表面的流动扩散。当焊料冷却时就形成了空洞。如图2所示。A类空洞会使通过芯片的电流不均匀, 容易形成局部"热斑";B类和C类空洞降低了焊料层的导热能力。

对于图2所示的A类空洞, 我们对芯片双面进行多元金属化, 管芯表面金属化每层的厚度和蒸发质量是降低热阻的关键, 在工艺实施过程中通过严格控制蒸发设备的真空度和蒸发源材料的质量, 提高多元金属化层的质量, 从而提高焊接质量、降低接触电阻, 解决此类空洞问题。

对于如图2所示的B类和C类空洞, 在烧焊工艺中通过选用质量等级高的焊料及助焊剂, 采用合适的烧焊保护气体, 采用高精度的低温烧结炉精确的控制升、降温曲线, 使焊料中残存的气体充分得到释放, 尽可能减少管芯、焊料、底座之间的空洞, 保证管芯与底座粘结良好, 最大限度地增加了管芯与底座之间的接触面积。

通过采用以上方法对烧焊工艺调整, 烧焊空洞有了大幅度的好转, 使空洞率控制在了5%以内, 为产品实现大功率提供了保障。

3 结语

要实现产品具有大功率和防雷击功能, 须做到: (1) 将管芯结构成型为梯形台面, 减弱管芯的表面电场使管芯的击穿效应发生在体内, 从而提高产品的可靠性。 (2) 采用与管芯热膨胀系数相近的合金片替代铜片作为管芯与底座间的过度电极片, 因为铜材料与管芯热膨胀系数相差较大, 承受多次环境突变的冲击后会将管芯拉裂。

参考文献

[1]吴涛.镍离子对聚苯胺性能的影响[J].工程塑料应用, 2010 (07) .

[2]赵英伟, 庞克俭.Kelvin四线连接电阻测试技术及应用[J].半导体技术, 2005 (11) .

功率二极管篇2

关键词：发光二极管 (LED) ,LED输出光通量,透镜的透光率

0简述

使用传统光源的灯具一般是通过反射器将一个光源的光通量均匀的分配到受照面上, 而LED灯具的光源则由多个LED颗粒组成, 通过设计每个LED的照射方向、透镜角度、LED排布的相对位置等要素使受照面获得均匀、符合要求的照度。LED灯具和传统光源灯具的光学设计方式有所不同, 如何利用LED光源自身的特点来提高LED灯具的灯具效率是LED灯具设计中必须考虑的关键因素。

1 LED灯具的照度计算

灯具设计前期的模拟照度计算是LED灯具配光设计的关键步骤, 其目的是将实际要求与模拟计算的结果对比, 再结合灯具外形结构、散热情况等其它条件来决定LED灯具中的LED光源种类、数量、功率、透镜种类、排布方式等。通过分析LED灯具的照度计算过程来确定影响LED灯具效率的重要因素从而提高LED灯具效率。

照度计算方法包括利用系数法、概算曲线法、逐点计算法、比率法等。由于LED灯具的光源形式完全不同于传统高压气体放电灯, 是多个点光源——数量约为十几至一百颗左右的组合, 因此相关照度计算一般使用逐点计算法, 其它计算方法相对于LED灯具都存在计算繁琐, 相关条件众多, 适用范围较小等不足。逐点计算法就是逐一计算每个LED对照度计算点的照度, 然后进行叠加计算从而得到总照度。下面就LED灯具的逐点计算法加以简单论述。

LED灯具的光源模组一般由LED芯片与透镜组成, 依照透镜的光线测试数据 (如IES文件) 结合LED芯片的光通量参数就可以进行必要的照度计算。

计算可以依照公式 (见图1所示) :

E总:照度计算点的照度单位:lx

I:LED光源在照度计算点方向的光强单位:cd

D:光源与照度计算点间的距离单位:m

cosα:光源至被照点连线与光源至被照点所在水平面的垂线之间夹角的余弦值

照度计算点方向的光强—的计算公式为

Eff (efficiency of the lens) :每流明的光通量通过透镜后的特定方向的光强值, 可从透镜的配光曲线中查到。单位:cd/lm

φ:LED发出的总光通量单位:lm

2 提高大功率LED灯具效率的方法

通过LED灯具的照度计算分析可以看出LED芯片所发出的光通量与透镜的每流明光强值的曲线即配光曲线是影响LED灯具的照明效果的两个最重要的要素。以下通过讨论这两个参数来分析如何提高LED灯具的灯具效率。

2.1 LED芯片的光通量输出

结点温度是影响LED芯片的光通量输出的关键因素, LED的光通量输出随着结温的上升而降低。LED厂家的技术参数手册列出LED在结点温度为25℃时的光通量值, 而大多数安装在灯具内的LED芯片由于受到灯具散热条件的限制都具有较高的结点温度, 一般结温在75℃~90℃之间。当结温大于25℃时, 光通量肯定比LED技术参数手册给出的值少。以某品牌的XR-E大功率LED的结温与光通量输出的关系为例 (见图2) , 当LED芯片的结温在85℃左右时, 依照此图光通量输出为25℃时的85%。因此在设计灯具中应通过散热设计尽量降低LED芯片的结点温度以提高LED芯片的光通量输出, 从而达到提高灯具效率的目的。

2.2 透镜

透光率是LED透镜的一项重要技术参数, 直接影响到透镜的使用效果。目前在大功率LED灯具中通常使用的透镜为全反射式透镜, 国内外知名LED透镜厂家可以将这种透镜的透光率达到89%, 即LED光源所发出的全部光通量一般有10%以上的损耗。这些损失的光可以被分为三种 (见图3) :LED的正上方透镜表面所反射的光、被透镜吸收的光、通过LED透镜侧面被折射的光。

LED系统的透光率计算公式:

η’:透光率

φscreen:到达目标面上的光通量

φled:LED光源所发出的光通量

根据以上分析设计灯具时应选择光学结构设计合理、所用光学材料透光率高的透镜以提高灯具效率, 另外还应注意透镜的照度均匀性、工作温度范围、抗UV紫外线、黄化率等因素, 这样才能保证LED灯具具有更好的光学性能。

2.3 LED光源在灯具内部的排列方式

大功率LED光源相对于传统光源具有很好的方向性, 目前用光束角来定义LED的发光角度。国外一般将光束角定义为Full Width Half-Maximum (FWHM) , 即1/2最大光强值所对应的角度值, 两边角度值的夹角即为光束角。LED是以50%光强值作为边界, 有很多光线从光束角以外发射出去, 若以光束角作为照明界线这部分光就是浪费, 如果充分利用这部分光就会实现提高灯具效率目的。因此在设计LED灯具时应充分考虑其光束角的特性, 利用其方向性好的特点, 通过设计LED芯片的相对位置、倾斜角度、争取将绝大多数光线发射到灯具外部, 从而提高大功率LED灯具的灯具效率。

3 灯具效率对比

用一个实例来对比LED灯具的灯具效率。在此我们假设从透镜前部发出的光通量全部照射到灯具外部。一款灯具如按照初始设计:LED芯片工作时的结温在85℃、透镜的透光率为81%;对其进行散热结构改进、更换透镜后, LED芯片工作时的结温降为80℃、新选择透镜的透光率为89%。则改进后的灯具效率提高了10.85%。计算公式:

100%×85%×89%-100%×80%×81%=10.85%。 (假设在25℃时LED芯片发出的光通量为100%;在85℃时LED芯片发出的光通量为80%, 在80℃时LED芯片发出的光通量为85%) 。

4 结论

除了通过提高LED芯片的输出光通量、选择合适的透镜可以提高灯具效率, 还有很多设计方法如调节LED芯片与灯具透明罩的相对位置、改进灯具的外形结构等都可以改善灯具效率。只要设计人员能够对功率型LED的性能有着充分的了解, 就可以通过提高灯具效率达到降低成本和节约能源的目的。

参考文献

[1]Stevenson M A, Campilo C J Jenkins D G., Advanced optical system simulation in a coupled CAD/optical analysis[J].SPIE

[2]NIST的LED光通量测量.中国照明电器[J].2006, 5

功率二极管篇3

随着对研究的不断深入, 发光功率的不断增加, 其散热问题日益凸显, 近年来, 大功率激光器的性能快速提升, 发光功率越来越大, 器件的散热量也越来越大, 文献[1]提出温度对激光器影响的关系式, 并以LD型大功率激光器为例, 说明了当温度升高时激光器输出功率峰值明显下降。同时, 温度梯度还会引起热应力和端面效应, 应力会产生应力双折射, 使得激光器无法正常工作。当前, 散热问题已成为大功率激光器进一步发展的瓶颈, 亟需解决。

传统的散热方式能满足激光器温度控制, 可靠启动和稳定工作的要求, 但是散热能力有限, 无法满足大功率激光器散热需求。微通道水冷热沉以换热性能好, 结构紧凑等特点, 引起了广泛的关注。1981年, Tuckerman和Pease[2]最先提出了微通道冷却器 (MCCs) 的概念, 并预测当所采用微通道宽度为50μm及较大高宽比时, 散热能力能达到1300W/cm2, 而介质的最大温升只有50℃。这引起了科学工作者的极大兴趣。

尽管有大量学者对微通道冷水冷热沉进行实验研究, 但是微通道形式多样, 尺寸也不尽相同, 实验结果的可比性差;另外, 微通道冷却液的流速、温度等参数对冷却效果有较大影响的参数也有很大差别;而且, 微通道热沉加工工期长, 成本较高, 因此, 通过实验比对进行优化设计的可行性不高。如何有效优化热沉运行参数、减小流动阻力以有效降低激光器工作温度、提高其运行性能和使用寿命是当前急需解决的问题。

通过模拟实现对系统运行参数, 热沉结构进行优化计是一种可行的方案。当前国内在微通道水冷热沉模拟研究方面, 只有夏国栋[3]等对歧管式微通道热沉进行了三维优化, 结果表明:热沉结构对温度分布有较大影响。尧舜[4]等利用商用CFD软件FLUENT对微通道热沉内部微通道散热区层间折转通道宽度和热沉前端面壁厚度进行分析, 实验测试微通道热沉热阻为0.134K/W。本文根据散热要求设计了一种水冷热沉, 并用商用FLUENT软件对影响热沉冷却性能的因素进行模拟研究, 以揭示微通道热沉内流体流动与传热特性的规律, 优化热沉整体设计。

1 微通道水冷热沉设计

所设计的热沉结构如下图1所示, 图中从上依次往下分别为第1层上顶板, 第2层回水板, 第3层分水板, 第4层进水板, 最底层为下底板。相变热沉的性能主要取决于微通道的设计, 为了尽可能增大热沉的的散热能力, 采用两层微通道结构, 即热沉中设计两层微通道, 以提高热沉整体换热系数, 如下图2所示是两层微通道的结构布置示意图, 图中所示的是流体在微通道中的流程。从当前研究成果看, 微通道尺寸越小, 换热系数越高, 但考虑到加工工艺, 散热量要求以及泵耗功, 所设计的微通道长4.3mm, 宽0.4mm, 高0.2mm。微通道热沉材料选用换热性能较好的无氧铜。所设计的无氧铜上顶板和下底板厚度为0.5mm, 其余各薄板厚度为0.3mm, 热沉外形尺寸为25mm×12mm×1.9mm。

2 热沉计算模型及边界条件

热沉的冷却对象为10mm×1mm的半导体二极管阵列, 热流密度高达400W/cm2, 焊接在热沉上, 如下图3所示DL叠阵示意图。去离子水从进水口进入, 经分流后到达进水板上的微通道, 然后通过分水板上的水槽进入回水板上的微通道, 最后由出水口流出, 以此带走热量, 计算模型如下图4所示。整个热沉由两个区域组成, 一为流体流动区域;二是热沉内的非流动区域, 也即是固体区域。流体流动区域的流程复杂, 在微通道处流动截面较小, 如上图2所示, 当前微通道流动与换热特性都基于宏观尺度进行分析, 虽然所得到的实验数据还存在很大的差异, 但根据文献[5]表明, 连续介质模型和Navier-Stokes方程仍然适用, 可以根据经典理论进行传热, 传质分析。非流动区域为固体区域, 可以根据导热理论进行分析。本文基于连续介质模型, Navier-Stokes方程和流固耦合模型, 采用商用FLUENT软件对热沉的冷却能力进行分析。

在整个流体流动区域, 微通道为狭长形状, 而且尺寸相对较小, 但微通道处的流动和换热是我们重点关注的方面, 因此, 必须细化微通道中的网格, 但是考虑到计算量和运算效率, 使得无法按照微通道中网格划分的基准对整个流动区域和非流动区域进行网格划分。本文用网格分隔面将流动区域划分为三部分:进口流动区域, 微通道流动区域, 出口流动区域, 图2所示的就是微通道流动区域, 分别对流动的各个区域以及非流动区域划分网格, 实现了对微通道区域的网格细化, 同时也减少了计算量, 提高运算效率。

所采用的边界条件是质量流量进口, 温度进口和压力出口边界条件。激光器焊接面热流密度为400W/cm2, 热沉其余面为绝热边界条件, 流体与热沉接触壁采用流固耦合边界条件。所采用的模型是k-e湍流模型和流固耦合模型。

3 计算结果与分析

3.1 激光二极管布置面与温度分布的影响

二极管阵列在热沉上有两种布置方式, 布置在上顶板或者布置在下底板, 见图5和图6, 文献[4]将DL阵列布置在下顶板, 文献[5]将DL阵列布置在上顶板, 但他们并没有分析这两种布置方式对DL阵列温度分布的影响。当去离子水进入热沉后, 从进水板上的微通道开始与热沉壁面进行热交换, 通过回水板上的微通道流出热沉, 带走热量。从理论分析上讲, 当DL布置在热沉下底板时, 更接近于进口水温度, 因此其表面温度越低。但模拟结果发现, 当流量为5ml/s, 进口水温为300K时, 无论DL阵列布置在上顶板和下底板, 热沉中的压降基本相同为0.503bar, 其温度也分布也相同, 如图7所示, 图中x方向即沿LD阵列布置方向, 如图5, 图6所示。这与预期的结果有差异, 这主要原因在于bar条出的温度分布由两方面因素决定, 一是热沉内部与水的热量交换, 另一方面在于热沉内部固体部分的导热, 当DL阵列布置在上顶板, 在设计时, 要考虑到热量能充分的从表面传递到下表面, 使热沉进水板上的微通道发挥作用, 这一定程度上启示我们, 在尽可能增大流体与固体壁接触面积的同时, 兼顾上下层之间固体接触面积, 增加导热面积, 对此, 我们采用的方式是, 在流道中增加肋, 一方面增加热沉强度, 提高焊接成功率, 另一方面在于增加导热面积, 提高微通道散热作用。同时, 由图7可知, 激光器表明温度分布并不均匀, 在中心区域温度分布基本相同, 而在bar条两边温度急剧增加。

3.2 前壁距离β对温度分布的影响

在实际应用过程中, LD焊接在热沉顶端, 而出于工艺加工以及热沉寿命考虑, 微通道端部必须与热沉顶端有一定的距离β, 如图5所示, 这对散热很不利。当其它值不变, 改变β的大小, 模拟结果见下图8所示, 当β值越大时, LD表面温度越高, β值越小时, LD表面温度越低, 最高温度与最低温度之间相差将近2℃。设计时, 考虑到水流在微通道快速流动, 并冲击到热沉前壁, 为了保证热沉寿命和密封性, 建议前壁厚度β取0.4mm。

3.3 分水板水槽宽度α对温度分布的影响

分析水槽宽度α对温度分布的影响。保持其它值不变, 进口水温取300K, 热流密度400W/cm2, 前壁厚度β取0.4mm, 模拟结果如下图9所示, α越小, 激光器表面温度越低, 当α取0.1mm时, 激光器表面温度比α取0.5mm时表面温度下降了接近3℃。但随着α值减小的同时, 热沉内的压降增加, 如下图10所示, 由图可知, 当α为0.1mm时, 热沉内的压降骤然上升, 通过对分水板上的水槽内水流方向的压力分析可以得知, 如下图11所示, 当α=0.1mm时, 在水槽内的水流方向上, 流体进出口效应显著, 所造成的压力损失较大, 在水槽出口处, 面积增加使得压力有小幅回升。从水槽进口处的压力, 出口处的压力以及水槽内压力变化趋势可知, 当α=0.1mm时, 激光器水温下降的原因有两个, 一是由于水流从进水板上的微通道中流出进入水槽后, 水槽宽度变小, 水流速度增快, 形成了微喷效应;第二个原因, 如图12所示, 其中黑色部分表示的是α=0.1mm时, 热沉内的压降组成, 白色部分表示的是α=0.5mm时热沉内的压降组成, 通过比较发现, 当水槽宽度收缩时, 造成微通道中流速增加, 压降变大的同时强化对流换热, 因此激光器表明温度相对较低。

3.4 上顶板厚度h对温度分布的影响

取α=0.1mm, β=0.4mm, 激光器布置在上顶板, 改变上顶板厚度h, 其它条件不变, 模拟结果如图13所示, 由图可知, 当上顶板越厚, 激光器表面温度越低, 分布越均匀, 这是由于, 上顶板越厚, 虽然增加了热沉垂直方向上的热阻, 但是铜片导热系数大, 所以在垂直方向上增加的热阻较小, 基本上可以忽略。但上顶板越厚, 却增强了热沉水平方向上的导热。将热量分散到热沉的各个方向, 更有利于的水将热量带走。相反, 当上顶板厚度较小, 如h=0.1mm时, 激光器表面温度起伏不定, 均匀性较差, 这会导致LD产生热效应和端面效应, 使激光器输出功率和输出光质量都下降, 严重时可能导致LD损毁。产生这种原因在于上顶板太薄, 在一定程度上抑制了热沉在水平方向上的导热作用, 无法使激光器表面温度均匀。对图分析同时发现, h取0.5mm时, 热沉两侧的温度比h=0.9mm时热沉两侧的维度稍高, 但是中间LD布置处的温度基本相同, 因此, 设计时推荐上顶板厚度为0.5mm。

4 结论

利用CFD软件FLUENT对微通道水冷热沉进行仿真模拟, 分析了激光器布置方式、前壁距离β、分水板水槽宽度α以及上顶板厚度h对温度分布的影响, 并以此优化热沉设计, 该热沉能有效的对1mm×10mm, 热流密度为400W/cm2的激光器散热, 同时也为更高热流密度散热用热沉的设计提供了指导。建议前壁距离β取0.4mm, 上顶板厚度取0.5mm, 而水槽宽度根据需要决定, 当水槽太窄时, 虽然热沉的换热性能好, 但压降较大;尺寸较大时, 热沉换热性能下降, 但压降较小。

参考文献

[1]张先武, 陈胜石.通信用大功率半导体激光器温控系统[J].应用光学.2000, 21 (5) :5～8.

[2]Tuckerman D B, Pease F W.High-performance heat sinking for VLSI[J].IEEEElectron Device Letters, 1981, 2 (5) :126-129.

[3]Herwig H, Hausner O.Critical view on“newresults in micro-fluid mechanics:an example”, Int.J.Heat Mass Transfer, 2003, 46:935-937.

[4]夏国栋, 刘青等, 王敏, 等.岐管式微通道冷却热沉的三维数值优化[J].工程热物理学报, 2006, 27 (1) :145-147.

功率二极管篇4

美国能源部(DOE)“能源之星”关于固态照明(SSL)标准,要求住宅SSL功率因数(PF)≥0.7,同时要求商业SSL的PF≥0.9,它涵盖了任何功率等级。

采用电网单相电源供电(即离线式,off-line)的LED照明驱动器,与离线式开关电源(SMPS)的电子镇流器一样,如果采用常规整流滤波电路来实现交流——直流(AC——DC)转换,线路功率因数不会超过0.6。为提高功率因数,减小AC输入电流波形失真,就必须采取功率因数校正(PFC)技术。

PFC分有源和无源两种类型。无源PFC (PPFC)电路简单,只使用电容和二极管等无源元件,成本很低。PPFC虽然能将PF提高到0.85甚至0.9以上,然而AC输入电流谐波含量达不到IEC61000-3-2标准限制要求。有源PFC (APFC)使用PFC专用控制集成电路(IC),虽然比PPFC电路复杂一些,但同时支持高PF和低谐波电流含量的要求。

1 单级功率因数校正(PFC)特点

离线式LED照明驱动器大多采用开关电源电路,并且以反激式(Flyback)拓朴结构为主。带APFC的反激式AC——DC LED照明驱动电源通常采用“PFC+反激式转换器”两级架构(亦称两段式),如图1所示。两级架构的特点是需要PFC和脉冲宽度调制(PWM)两片IC和由其驱动的两个功率开关晶体管(通常为MOSFET),不仅电路复杂,使用元件多,而且系统效率大打折扣。

在较低功率的AC——DC LED照明驱动器中,可以采用图2所示的单级PFC反激式拓扑结构。单级PFC的特点是只使用一片专用IC和一个功率开关,即可同时履行PFC和反激式PWM控制,从而使电路大为简化,并能够提升能效。

单级PFC需要专门设备的控制IC,而一般开关电源脉冲宽度调制(PWM)控制IC并不带PFC功能。NCL30000是单级PFC反激式控制器代表性器件,这种控制IC采用8引脚SOIC封装,不仅支持PFC,而且还可以利用传统白炽灯调光器实现LED从100%～10%调光。

2 基于控制器NCL30000的单级PFC反激式LED照明用电源

用NCL30000作控制器的离线式单级PFC反激式LED驱动电源电路如图3所示。

2.1 电路简析

图3所示电路组成与简单分析如下所述。

①输入级电路

输入级电路由电磁干扰(EMI)滤波器和整流器组成。其中:电容C1和C2、共模电感器L1、差模电感器L2和L3及阻尼电阻R2和R3,组成EMI滤波器,R2和R3用作衰减L2和L3大约500 kHz振荡;小电容C4既是EMI滤波器的一个元件,同时又是反激式DC——DC转换器的输入电容;实际上。EMI滤波器还包含变压器T1绕组T1C和TIE之间的电容C10,它用来抑制变压器绕组耦合产生的共模发射噪声;F1为保险丝,RV1为过电压保护元件;D1—D4为桥式全波整流器。EMI滤波器的作用是满足EMI (B类)规范传导发射限制要求。

②反激式变换器初级侧电路

控制器U1(NCL30000)和开关管Q3 (MOSFET)是变压器初级侧电路的核心。Q3源极串联的R20为初级电流传感电阻,用作限制级初级电流。T1初级绕组(T1A+T1B)上并联的C5、R6和R7及二极管D5,组成钳位电路,将Q3漏极上的电压限制在一个安全电平上。

T1绕组T1C既是零电流检测绕组,又是偏置绕组。当T1次级绕组电流降为零时,通过T1C检测,经限流电阻R6输入到U1引脚5,U1则驱动Q3再次导通,开始一个新的开关周期。二极管D6、电容C6、隔离二极管D7、稳压管D9、调整管Q2和电容C8,组成偏置电源。当U1经启动电阻R13启动U1之后,偏置稳压电源为U1引脚VCC供电。

U1引脚1上的电阻分压器R15/R9,为U1提供电源VCC过电压和欠电压保护。PTC热敏电阻RT1紧贴开关管Q3,当Q3温升过高时,RT1电阻急剧增加,使晶体管Q1导通,致使Q2关断,U1偏置电压切断,Q3也就关闭。U1引脚3上的电容C9,用来设置开关最大导通时间。

③反激式变换器次级侧电路

变压器T1次级(T1D+T1E)连接的D10和C12构成输出整流滤波电路。LED串下端连接的R29是LED电流传感电阻。双运算方大器U3(LM2904)和光耦合器U2提供LED的恒流/恒压控制。U4 (TL431A)为U3提供2.5 V的基准电压。56 V的稳压二极管D12和晶体管Q5提供输出过电压保护。5～6 V的稳压二极管D11和晶体管Q4为U3和U2中的LED提供约5 V的偏置电源。

2.2 电路控制基本原理

当U1引脚7驱动Q3导通期间,初级电流Ipr(t)从零线性增加;当Q3关断时,变压器能量传送到次级,二极管D10导通,如图4所示。只要次级电流Is(t)一降为零,就被T1零电流检测(ZCD)绕组T1C检测,Q3接着导通,开始下一个开关周期。在AC线路半周期(10 ms)内,开关导通时间Ton都是固定的,但关断时间Toff是变化的,因此开关频率是变化的。由图4可以看出,输入电流Iin(t)正比于输入电压Vin(t),呈正弦波形,从而实现了功率因数校正(PFC),系统像一个电阻,如同白炽灯一样。

2.3 变压器参数

变压器T1选用EFD25磁心和10引脚配套卧式骨架。初级绕组(T1A+T1B) 92匝,电感量是1.72 mH;次级绕组(T1D+T1E) 24匝,偏置绕组(T1C) 22匝。

2.4 电路主要技术指标

图3所示LED驱动电路的主要技术性能指标如下:

交流输入电压Vin:90～305 Vac;

线路功率因数PF:>98;

输出电压Vout:12～50 Vdc(可以驱动4～15个串联在一起的LED);

输出电流Iout:350 mA;

最大输出功率Pout(max)=17.5 W;

系统效率η>83%。

图3所示的离线式LED驱动器还可以利用传统白炽灯调光器(串接在AC输入相线上)对LED进行调光,调光范围为10:1,即LED电流从350 mA调小到35 mA。

3 结束语

基于单级PFC的反激式离线LED照明用电源,使用单片控制IC驱动单个开关即可以实现PFC和反激式PWM控制,从而使用电路大为简化。该文介绍的采用控制器NCL30000的LED照明驱动电源,是一种典型的单级PFC反激式拓朴结构,在90～305 Vac宽范围输入电压下,可以提供高于0.98的功率因数和高于83%的效率,并提供恒流/恒压(CC/CV)输出。

参考文献

[1]ON Semiconductor.NCL30000 Power Facror Correctd Dimmable LED Driver.Datesheet(http://onsemi.com) 2009.12

[2]Jim Young(ON Semiconductor).Configuring the NCL30000 for TRIAC Dimming.Datasheet(http://onsem.corn) 2009.12

功率二极管篇5

实例1:某晶体管厂最近要求某供应商提供一种型号为3CK**、放大倍数为55-80的大功率三极管芯片。在拿到了供应商提供的第一批芯片样品后, 该晶体管厂将其封装成成品, 然后用“半导体分立器件测试系统”做了参数测试。针对该晶体管厂反映的3个问题, 供应商的技术工程师是这样回复的。

问题1:首先检查该批次芯片样品的外观, 发现芯片表面的压点有划伤;用晶体管特性图示仪观察封装好的产品的击穿特性曲线, 发现曲线有蠕动现象。

工程师回复:

(1) 因为大功率晶体管的测试电流比较大, 所以测试芯片的放大倍数时, 探针所加的压力也比较大, 而且由于芯片表面的铝层较软, 所以测试时压点容易产生压痕或轻微擦伤。国外大功率器件压点处就经常可见明显的压痕, 这是正常现象, 没有违反有关标准要求。

(2) 另外, 一般电压比较高的平面工艺产品, 由于其工艺特点, CE和CB电压经常会有一定的蠕动现象, 但是电压蠕动的起始点应该高于规范值。

问题2:在测试芯片时有一只芯片的PN结击穿。芯片烧上封好后, 测试参数时又发现有两只击穿。剩余几只产品交筛选车间做电老化试验, 在电老化测试时又有一只产品击穿。具体测试结果见表1。

工程师回复:

(1) 该芯片样品是经过测试检验后才发货的, 芯片本身没有问题。测试芯片时, 我们是将测试电流控制在1m A测试的, 所以说不会发生测试芯片时击穿的问题。

(2) 如果出现上述情况, 可能有两个原因:一是在运输过程中因为摩擦造成芯片边缘损伤, 晶体管集电结损坏, 以后我们发货时会相应注意这个问题的。二是客户的检测人员在测试时, 集电极的限流电阻没有加或加得太小, 造成电流过流损伤芯片。这种情况我们也不时见到或听说, 一般新员工技术上不熟悉时会出现, 老员工有时不按规定程序操作测试仪器时也偶尔会出现。

问题3:从以上测试结果看, 放大倍数的数值都太靠近所要求的下限。做完电老化试验后, 放大倍数数值又均有不同程度的衰减, 衰减的比较多的芯片, 就不能满足要求了。以后可否提供靠近放大倍数上限的芯片?

工程师回复:

(1) 晶体管在老化后一般放大倍数都会发生变化, 多数情况是变小, 变化大小也会和老化条件有关。所以客户应该告知是以老化后的测试结果为准还是以哪一个阶段的测试结果为准。而PNP晶体管放大倍数在老化前后的变化一般比NPN晶体管的要大。因此如果要求做老化测试的产品, 所选择的芯片放大倍数应该比成品要求的放大倍数要大些。后面我们提供芯片样品时选择的放大倍数也会大些, 在70-100左右。

(2) 当初客户55-80的放大倍数没说明是老化前还是老化后的。本来55-80的范围就小, 如不明确就不好办。如老化前放大倍数是55-80, 老化后就会变到45-70, 有相当部分就不合格了。但若按放大倍数变化率来考核, 老化后变到40-60都算合格的。

(3) 而且一般测试成品的放大倍数时, 因为管脚与图示仪的接触较差, 所以测试电流不易过大, 否则容易因为发热烧坏芯片。我们一般的测试电流不会超过2A。

实例2:随后该供应商又提供了放大倍数为55-80的3CK**的第二批芯片样品。根据第一次芯片样品放大倍数的原始测试记录, 供方推测第二批芯片样品的放大倍数在电老化后的平均数值如下:

供应商工程师做出说明如下:

(1) 根据第一批芯片样品的测试数据, 老化后放大倍数平均减小了10.875, 变化率为-18.83%。

(2) 根据三极管的原理和数理统计原理由此推断, 3CK**第二批芯片样品, 老化前后变化率为-19%左右, 老化后预计放大倍数平均减小17左右, 所以老化后放大被数的平均值为72左右, 应该满足客户要求。

(3) 另外, 放大倍数在大电流下是没有办法准确测试的。因为在大电流下勉强测试, 一是测试不准, 二是容易损伤芯片。正确办法是:集电极应该加限流电阻而且不能加得太小, 要在较小测试电流即不超过2A下测试。

该晶体管厂测试了第二批芯片样品, 数值果然如供应商所说的满足要求, 于是便订货若干。

实例3:后来该晶体管厂又订购了2000粒放大倍数原本要求在60-90、后来又改为90-120的3CK**芯片, 其测试的原始记录如表2。

晶体管厂反映:

我们收到2000粒3CK**芯片后, 随后对芯片进行了验证测试, 其测试数据如表2。从测试数据上看, 主要有以下两个方面的问题。

(1) 抽测了8粒芯片进行封装后测试, 其中有4粒VCEO电压达不到要求的不小于100V的要求。

(2) 电老化前测试放大倍数时, 有3只的HFE达不到要求的90-120的范围。电老化试验后测试时, 又增加了2只HFE达不到要求。

供方工程师解释:

(1) 因为该批芯片最初确定方案购买材料时, 是按放大倍数在60-90的范围考虑的。改变放大倍数增加到90-120后, VCEO会有一点降低。放大倍数为60-90的VCEO刚好在100V以上;而放大倍数增加到90-120后, 会有部分芯片的VCEO小于100V。

(2) 我们提供的芯片都是经过测试的。但是原来我们曾经说过, 测试芯片时电流不能太大。我们是按0.5A/5V的测试条件, 按我们认为合适的放大倍数数值, 首先挑选出芯片。然后抽取一定比例的芯片样品, 封装成成品后, 再按2.5A/4V测试。两次测试合格后, 芯片才被送出。但是芯片本身是不能直接按2.5A/4V的测试条件测试的, 一是测不准, 二是会因为发热灼伤芯片表面。

供方工程师建议, 因为放大倍数为60-90的芯片也是晶体管厂原本就打算要的, 因此有以下2种解决办法可以考虑:

(1) 如果晶体管厂的成品用户使用范围能够放宽, 该批芯片就按放大倍数70-120的范围检测。

(2) 如果放大倍数60-90和90-120是晶体管厂的不同成品用户的要求, 那就按60-90和90-120分开选用。

供方工程师提醒:

(1) 芯片的直接测试数据和芯片封装成成品后的测试数据, 是有一定差异的。

(2) 以后供货可以解决电压的问题, 但是放大倍数范围一定要放宽。

(3) 放大倍数原来是按60-90的要求定的, 若要增加到90-120, 电压就要相应低些。

供方工程师还建议该晶体管厂:

关于该批次的3CK**, 晶体管厂是否可以提供二、三只已经封装好的成品?并提供这些成品的测试记录, 以便供方重新测试比对。放大倍数有小的, 供方分析还有一个原因, 那就是供方的测试和该晶体管厂的测试可能有偏差, 所以需要几只晶体管厂封装好的成品。并请晶体管厂一定附上自己的测试结果, 最好能有1A、1.5A、2A、2.5A对应的放大倍数数据。

该晶体管厂认为供方的建议很专业很有道理, 于是就按照供方的建议做了。

实例4:供方提供了第二批放大倍数在90-120的3CK**的芯片正品2000粒, 晶体管厂测试后的原始记录如表3:

从数据上看, 本批芯片其他参数都没有问题, 但是放大倍数HFE在电老化试验前还在90附近, 做完电老化试验后放大倍数就不够90了。

该晶体管厂认为:该批芯片的参数性能比较好, 但放大倍数HFE的范围还是不够。鉴于三极管放大倍数在电老化试验前后的变化率是个很难把握的问题, 经采购人员与领导沟通、与生产车间协调后认为, 因客户也有放大倍数在80-100范围的使用要求, 本批产品就全部留用。

实例5:随后该晶体管厂又要求该供应商提供10粒放大倍数HFE在60-80之间的芯片样品, 供方按要求提供了芯片样品10粒, 其测试的原始记录如表4:

10粒3CK**芯片的测试数据如上。从数据上看, 此芯片的放大范围太大了, 超出了所要求的60-80的范围, 需方要求再寻找60-80范围之间的芯片。

实例6:于是供方又提供了放大倍数在60-80之间的第二批3CK**芯片样品, 其测试的原始记录如表5:

需方反映:

10粒3CK** (放大60-80) 的芯片样品, 从测试数据上看, 此芯片能满足其成品放大在60-80的范围要求, 可以订货2000粒。

虽然此成品参数能满足要求, 但在测试芯片时, 其HFE在83-86之间 (不能满足芯片对放大范围的要求) 。芯片烧结成成品后, 虽放大在老化前后均能满足要求, 但是都比较靠近上限值。若正式供货, 可否把HFE值再调低5个值左右, 其他参数保持不变。

供方工程师回复:

(1) 放大倍数HFE的高低温变化率目前没有办法解决, 因为材料和工艺决定了放大倍数会因温度的变化而变化。如果不是专门学这个专业、做这个行业, 是很难弄清楚为何会这样的。即使做这个行业, 很多人也不太清楚其中的究竟。因为这与硅材料的温度敏感特性有关, 材料若是硅都会有这个问题, 因此三极管的很多参数会随温度的变化而变化, 这个问题在原材料上始终是没有办法解决的。目前我们已经控制得比较低、比较合适了, 再调整则会影响其他参数, 反而得不偿失。

(2) 但是因为供方放大倍数的测试可能和晶体管厂的测试有误差, 所以还需要晶体管厂附有测试参数的成品样品, 以便我们比对, 尽量减小供方、需方测试结果的不一致。应该说, 这批芯片高低温前后放大倍数的变化应该能满足要求。

(3) 按表5所示, 10粒样品老化后, 放大倍数最小的为72.5, 最大的为74.4, 再小5个数值就是67.5和69.4。若下限要求为60, 这样放大倍数的范围就是60-69, 这样窄的范围是没法供货的, 更何况这之间还有仪器的误差和温度的影响。因此放大倍数的数值不能再调整了。

鉴于批量供货放大倍数的范围在10个数值之内确实已经很窄了, 该晶体管厂同意就按第二批样品正式供货。

实例7:此时供方按需方要求, 提供了放大倍数在60-80之间的3CK**第三批芯片正品2000粒, 其测试的原始记录如表6:

从数据上看, 此芯片能满足合同要求的放大倍数60-80的范围。虽有部分芯片放大倍数略微大于80, 但不妨碍使用, 而且客户也有HFE大于80的合同需要, 晶体管厂于是将全部芯片留下使用。

结论:

(1) 三极管的放大倍数, 由于制作工艺的限制与难度, 每个成品管子都是不一样的。好一点的也只能限定在某个范围内, 所以无法标明每个成品管子准确的放大倍数数值。

(2) 就算在一大批成品管里挑选出了一只, 其放大倍数恰好满足你的要求 (这已经非常困难) , 环境温度一变化, 这只管子的放大倍数也会随着变化。

(3) 具体到没有封成成品的芯片供货, 因为裸芯片的难于测试和测试误差较大, 因为芯片测试和成品测试完全不同, 还因为成品放大倍数在电老化前后的变化率, 放大倍数范围太窄就很难供货。即使供方测试了满足要求, 因为测试仪器的误差和稳定性等因素, 需方测试后也不一定能完全满足要求。

备注:关于三极管的放大倍数

(1) 三极管的放大倍数全称为“共发射极低频小信号输出交流短路电流放大系数”, 也被称为放大系数, 用符号HFE来表示。

(2) 大功率三极管一般是指耗散功率大于1W的三极管。