三极管在电子镇流器、节能灯应用中常见的几个问题
《第三届照明灯用电器附件及其配套电子元器件科技研讨会专题报告文集》2002年6
月杭州
一、三极管在电子镇流器、节能灯电路中的作用
在交流电中，感抗与电感量及交流电频率成正比（XL=2πfL）。在需要同样感抗的场合，提高交流电频率就可以减少电感量。电感量的减少就意味着可以缩小铁心截面，减少线圈圈数，因而可以减轻重量，减少铁芯和漆包线的用量，减少铁损、铜损。一个40W荧光灯在50周供电时需用几亨电感量的镇流器，采用2OKHz-5OKHz供电后，只需几毫亨，重量大大减轻，体积大大缩小，自身损耗也从原来的8W-9W减少到不到lW，如果加上变频电路其它部分的损耗，也不会超过lW-2W，这可以大大节省电耗，同时还能提高发光效率，降低频闪。随着电子技术水平的提高和经济的发展，采用以上原理工作的电子镇流器、电子节能灯开始被大量推广使用，属于同类应用场合的还有石英灯电子变压器、开关电源等。
三极管在其中起着重要的变频、换流作用，将50Hz整流后的带纹波直流电，变换成20KHz-50KHz的高频交流电。电子镇流器最基本的电路见图1
二、三极管的几个主要参数及选用
1、电压Vce的选用
当线路正常接一荧光灯负载时，晶体管
要承受的峰值集电极电压等于Vcc(整流和滤
波后的基本平滑的直流电压)。对于220伏电
源， VCC=VCM×21/2≌311V，考虑到电网电压
的波动，当网路电压大到280伏时，
图 1
VCC=280×21/2≌396V.
晶体管承受电压的能力有BVceo,BVcbo两个指标。值得注意的是，在图1的线路中，晶体管BE之间有R2(R3)，R4(R5)，L11（L12）连通，它们的直流电阻很小，在这种情况下，BVceo这个指标是没有实际意义的，真正有意义的是BVcer，此时应接近BVcbo，只要加在CE两端的实际电压不超过它，晶体管就是安全的，而BVcbo值一般都大于BVceo。一个BVceo为380V的三极管，用在电子镇流器上，当电网电压上升到300伏时，镇流器仍在可靠地工作，就是一个例子。
同时也要指出的是，对于那种不用触发管、BE间接有一电解电容的线路，因BE间电阻很大，其BVcer值就会靠近BVceo,应适当考虑电压余量。应该说，目前符合半导体厂家出厂标准，即BVceo≥400V的产品用户在使用中是不会因为Bvceo不够高而损坏的（采用升压电路或高频反馈式电路可以使线路直流电压升高的除外）。从近十年用户使用情况
来看，由于生产厂家均能做到三极管BVceo≥400V，所以没有发生过仅因三极管耐压不够而引起的烧管，出现仅因电压击穿导致的烧管时，只要电源电压调到一定值，管子立即击穿。
2、集电极电流Ic及集电极耗散功率Pc
2.1 T1、T2集电极电流额定值应从以下三个方面进行分析：
1）稳定条件下，所需要的峰值电流;
2）启动条件下，所需要的峰值电流;
3）最佳管芯尺寸，以取得最低的管芯成本。
稳定条件下：
Ic(峰值)=管功率/管交流输入电压
按目前国内最常用的40W的灯管为例：管功率40W，灯管工作电压=l00V，灯管电流完全符合正弦波的情况下计算出峰值电流约为0.566A。
当波峰系数>1.4时，则应相应修正，另外还应考虑灯管启动时峰值电流的增大。
2.2 晶体管Ic额定值的选择，实际上是和晶体管集电极耗散功率Pc同时考虑的。Pc的选择应避免进人一个误区。有人认为“40W的镇流器应选40W的功率管"，这显然有误，晶体管在镇流器中的作用是"阀门"而不是"蓄水池"。
三极管I CM指标是一个不加考核的指标，但它会在饱和压降等指标上间接体现出来。
在目前用户的使用条件下，三极管的Ic都会留有余量，不会单纯因为Ic不够而直接造成三极管损坏。
3、从损坏机理分析引出的开关参数控制
随着国内节能灯、电子镇流器设计及生产工艺控制水平的提高，人们逐渐对节能灯、电子镇流器用三极管的损坏机理达成了共识，认为:最终损坏是功率击穿，即加在三极管上的电压、电流超过了三极管的功率容限，即安全工作区(SOA）(图2）。由于三极管的功率容限是随着温度上升而下降的（图3)，为此，为防止三极管的损坏，必须控制三极管的发热(即自身功耗)。
图2 安全工作区图3 功率降额曲线
从图2可以看到，SOA是--个由折线包围的区域，当加在三极管上的电压、电流坐标值超出曲线范围时，三极管将发生功率击穿而损坏。实际使用中，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动势反峰电
压加在三极管CE之间，三极管必须有足够的SOA、BVceo、BVcbo值。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，具备该项测试条件，能够测试出SOA参数值，但仪器每次测试出的也只是安全工作区的一个边线点的数值，而不是它的全部，有可能在这一点上SOA值完全一样的两对三极管，在线路上一对三极管损坏了，另外一对却不会损坏。
对于目前节能灯、电子镇流器普遍采用的上、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是加在导通管上泄放的，所以目前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是十分敏感。而降低三极管的发热损耗却引起了业内人士的普遍关注，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3）。
三极管在电路中工作一段时间以后，因线路元器件发热，包括管子本身的发热、温度不断上升导致管子h FE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，这种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。
在开关工作状态下，在晶体三极管上消耗的功率由以下三部分组成：
W OFF=V CE×I
W ON=V CES×I C
W过渡=ΣV t×I t×△t/t(∫0t V t I t dt/t)
①晶体管截止时，显然V CE很大（等于直流电源电压），但是由于晶体管的漏电流非常小，所以这部分功耗
是极小的；
②晶体管导通时，I C由负载所需电流决定，V CES是晶体管在负载电流条件下的饱和压降，这部分耗散功率
占有一定比例，但变化余地不大；
③晶体管由饱和转为截止，由截止转为饱和的过渡时期。这部分的耗散功率所占的比重较大，而且与线路
参数的选择及三极管的上升时间t f、下降时间t r有很大的关系。
图4为三极管的开关损耗波形图，比较
直观地显示了以上三部分功率损耗数量的关系。
最近这几年，MOTOROLA、ST都已
推出了节能灯、电子镇流器专用三极管，
例如BUL45、BUL38D、BUL128D等，
三星则在原MJE13000系列产品的基础上
进行改进，大幅度提高了性能，它们都充
分注意到了降低产品的开关损耗。
深爱半导体有限公司也充分注意到了
这一点，近年来投入大量的人力物力对节
能灯、电子镇流器用三极管从产品设计、
工艺等方面作了针对性的改进，开发出节能图4 三极管开关损耗波形图
灯、电子镇流器专用三极管BUL6800系列，
同时对13000系列产品进行了优化，大幅度提高了产品性能。目前，国内产品已占据了中国节能灯、电子镇流器用三极管的大部分市场。
与此同时，普遍认为对磁环参数的控制具有非常重要的意义。很显然的原因即在于磁环参数的变化会引起三极管I b
的变化，影响三极管上升、下降时间。三极管驱动过度以及驱动不足均可以造成三极管严重发热烧毁；三极管驱动不足还可以造成三极管在冷态启动时瞬时击穿损坏。因为这可导致三极管进入放大区，其功耗大大超过其允许值（在未加散热片的情况下，一个TO-220封装的三极管的允许功耗为1.5W）。
还值得一提的是，在芯片面积一定的情况下，三极管开关特性、电流特性与耐压参数是矛盾的，国内市场早期曾一度用BUT11A来做220V40W电子镇流器，其出发点是其BV CEO（450V）、BV CBO（1000V）值高，但目前已极少有人这样做了。这说明BV CEO=400V已广泛被人接受，BV CBO=550V的国产MJE13001也已被广泛接受。也就是说，在目前绝大部分电子镇流器线路中，没有必要过高选择三极管电压参数这一理念已被广泛接受。
4、放大倍数h FE和贮存时间t s
相当一段时间以来各应用厂家都比较重视三极管h FE参数，不仅对用在同一线路上的上、下两只三极管要求配对一致，对h FE的数值范围也有一定的要求。
目前，在开关应用状态下，h FE的选用有以下认识：
1）有资料介绍：“理论上，h FE应尽可能高，以便用最小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，其它方面的折衷考虑，例如开关速度和电流容限，则限制h FE的最大值（荧光灯电子控制AN1049 JNAPPE T SPANGLEX MOTOROLA 美国）。
2）国内厂家早期曾经倾向于选用h FE较小的，一度h FE=10~15，甚至h FE=8~10的三极管很受欢迎（后期由于基极回路采用电容触发线路的流行，h FE值的选用又有所上浮），采用较小的h FE其目的是为了降低晶体管的发热，进一步从理论上分析是为了降低晶体管的饱和深度。实际上，晶体管的饱和深度受I b、h FE两个因素的制约，因此不一定要过分靠选择h FE参数，通过磁环及绕组参数、基极电阻R b的调整，也可以解决这一问题。
这里说的hFE指的是工作电流下的hFE，小电流下的hFE一般会小于工作电流下的hFE。小电流hFE如果太小会在某些场合影响节能灯的启辉，但可以用调整电路参数的方法解决。而且早期用户用万用表或工作电流很小的仪表测hFE 会因此对hFE的离散性不满意。
SIPOS工艺对三极管小电流hFE有一定影响，但目前在采取工艺改进措施后，小电流hFE已有很大改进，在Ic=10mA 下的hFE>8不会对使用造成影响。
到了现阶段，对三极管h FE参数的讨论已经离不开对存贮时间t s的讨论。
由于早期三极管的h FE参数曾经与贮存时间t s相关，一般h FE大的三极管t s也较大。当时人们对t s的认识以及t s的测试仪器均较欠缺，人们更依赖于对h FE参数选择作为控制节能灯、电子镇流器参数的手段。
这几年，国外MOTOLORA、ST、三星新推出的节能灯、电子镇流器专用三极管都十分注重对三极管贮存时间t s的控制，三极管贮存时间过长，电路的振荡频率将下降，整机工作电流增大易导致其损坏（表1）。虽然，可以调整扼流圈电感及其他元器件参数控制整机功率（工作电流），但三极管t s的离散性，
将使该产品的整机参数严重偏离、可靠性下
降。在石英灯电子变压器线路中，存贮时
间太大的晶体管可能引起电路在低于输出
变压器的工作极限的频率振荡，引起每个
周期的末端磁芯饱和，这使得晶体管I C在
每个周期引出尖峰，最后导致器件过热损坏。
如果同一线路上的两个三极管的贮存时间
相差太大，整机工作电流的上下半波将严重不
对称（图5），负担重的那个三极管将容易损
坏，线路也将产生更多的谐波，产生更多的电
磁干扰。图5 两个不同ts三极管用于同一线路的Ic波形
在三极管的贮存时间得到控制以后，以上
问题均得到很好的解决。同时，人们对h FE参数的依赖将进一步淡化。我们最近给一家厂家提供了大批量的BUL6825D，用来代替该厂家原来使用的进口ST的BUL128D。我们对产品存储时间作了较为严格的控制，但三极管的放大倍数hFE 则范围很大，以25-30为主，加上一部分20-25的产品，还有不少很多用户都不喜欢的30-40的产品，但该用户在使用中
2518029 0755 ******** 25970825
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