谈谈大功率晶体管

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通常我们把集电极最大允许耗散功率(P\(_{CM}\))在1瓦以上的晶体管叫做大功率晶体管。它与中、小功率晶体管一样也有高、低频之分。习惯上都把特征频率fT低于3兆赫的管子叫低频管;f\(_{T}\)高于3兆赫的管子叫高频管。

结构与封装形式

目前,常见的几种大功率管的外形见图①。图中左上角管子采用G型封装结构,下面一排采用F型封装结构。这二种外形都是标准化的。右上方的管子采用了非标准化的特殊封装。

图1
图1 🔍原图 (566×496)

图1所示的三种封装形式的管子,它们的管脚排列和外形尺寸见图2,其中G-3型是G型管子中的一个例子;F-2型是F型管子中的一个例子。由图2所示,大功率晶体管不仅体积较大,而且各电极引出线也与中、小功率晶体管有所不同。大功率晶体管所承受的功率大,流过的电流也大,所以电极引出线做成短而粗的硬“柱头”,而且集电极引出线与金属外壳相连,这样外壳就是集电极了。在使用时,某一线如要接集电极,只要用螺丝把此线焊片拧在外壳上就行了。

图2
图2 🔍原图 (556×1001)
图3
图3 🔍原图 (501×326)
图4
图4 🔍原图 (556×351)

为什么大功率晶体管要把外壳作为集电极引出线呢?这与它的内部结构有关。图3是硅台面扩散管3DD102的内部结构示意图,图4是锗合金管3AD6的内部结构示意图。从这两个结构图可看出管心的集电极都是直接与管座(外壳)相连,这样外壳自然就是集电极的引出端了。这是问题的一个方面,更重要的是这种结构把外壳作为集电极的“热”引出端,有利于管心的散热,使管子的耗散功率可以大一些。

散热问题

我们知道,晶体三极管内有两个P-N结。当它工作在放大区时,eb结处于正向偏置,cb结处于反向偏置。由于eb结上的正向压降很小,一般在1伏左右,管子c、e两端的电压几乎全部加在cb结上,也就是说功率主要是加在集电结上,管子工作时的热量主要由集电结产生。

随着所加功率的增加,P-N结的温度也随之升高。我们把P-N结的温度称做结温(T\(_{j}\))。这个结温是不允许无限制地升高的。在晶体管参数表中有一个叫TjM的参数就是它的最高允许温度。如果超过此温度,那么P-N结将烧毁,这就是平常说的“热击穿”。一般锗管的T\(_{jM}\)是90℃,硅管的TjM是175℃。由于测试结温很不方便,因而一般都采用测管壳温度(T\(_{c}\))的办法来解决,所以我们可以根据已知的TjM与T\(_{c}\)以及所加功率Pc的关系式:P\(_{c}\)=(Tj-T\(_{c}\))RT,通过控制壳温来达到控制结温的目的,式中的R\(_{T}\)是晶体管的内热阻,其单位是℃/W或者℃/mW。对于同一种类型的大功率管来说,功率较大的管子其内热阻(RT)就小些。在实际使用中,对于锗大功率管来讲,其壳温不能超过55℃,对硅管来讲壳温不宜超过80℃,否则就不安全了。那么怎样使晶体管在工作时结温不致太高或者说不使壳温太高呢?这就要靠散热的方法来降低其温度。对于中、小功率晶体管来说,由于其功耗小,一般靠它的外壳散热就可以了,而对于大功率晶体管来讲,单靠外壳散热是远远不够的,而主要是靠外加的散热器来散发热量。我们在大功率晶体管的参数表里可以看到P\(_{CM}\)一栏中是指明带散热器的。

如果大功率管不带散热器,那它的耗散功率将大为降低。例如硅低频大功率管3DD102,当它外加散热器时,其最大耗散功率是50瓦,不带散热器时,耗散功率仅仅是3瓦。纵然是号称300瓦的大功率管,如果不带散热器的话,充其量其耗散功率也不过5瓦。

在实际使用中,散热器究竟用多大才合适呢?这要根据大功率晶体管所承受的功率大小、工作状态来定。一般可以参照说明书(参数表)中的参考尺寸就可以了,如果管子的使用功率没达到规定耗散功率,或者设备通风、冷却条件较好,散热器可缩小些。如果管子在脉冲电路中使用,这时瞬时功率比较大而平均功率很小(例如平均功率仅几瓦),那么散热器甚至可以不用。即使有的散热器是通过计算设计的,最后还得以实测壳温的高低来修正设计数据。

图5
图5 🔍原图 (811×469)

下面,介绍几种散热器。最简单的散热器是平板型的,用一块3~4毫米厚的金属板就可以了。一般散热器大多采用铝材料,这是因为铝材料的重量轻、散热效果好,另外成本较低而且便于加工。在实用中,为了缩小体积、提高散热效率,往往把散热器加工成各种形状,同时为了加强热辐射,把散热器的表面处理成黑色。图⑤是一些比较流行的散热器外形图。一般耗散功率在10瓦以下的用(c)形较多,10瓦以上至100瓦左右的用(A)、(B)形为多。上述几种散热器都是靠空气的对流来散发热量的,因而对于耗散功率在二、三百瓦以上的晶体管就不太适用,那时就得用水冷或油冷等形式的散热器来散热了。(李锦春)