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大功率晶閘管參數(shù)解析之正向特性

2021-08-13
來源:英飛凌
關(guān)鍵詞: 功率二極管 晶閘管

  功率二極管晶閘管廣泛應(yīng)用于AC/DC變換器、UPS,、交流靜態(tài)開關(guān)、SVC和電解氫等場(chǎng)合,,但大多數(shù)工程師對(duì)這類雙極性器件的了解不及對(duì)IGBT的了解,,為此我們組織了6篇連載,,包括正向特性,動(dòng)態(tài)特性,,控制特性,,保護(hù)以及損耗與熱特性。

  內(nèi)容摘自英飛凌英文版應(yīng)用指南AN2012-01《雙極性半導(dǎo)體技術(shù)信息》,。

  電氣特性

  二極管和晶閘管的電氣特性隨溫度變化而變化,,因此只有針對(duì)特定溫度給出的電氣特性才是有效的。除非另有說明,,否則數(shù)據(jù)手冊(cè)中的所有值均適用于40至60Hz的電源頻率,。

  最大值為制造商以絕對(duì)極限值形式給出的值,通常即使在短時(shí)間內(nèi)也不可超過此值,,否則可能導(dǎo)致元件功能下降或損壞,。特征值為規(guī)定條件下的數(shù)據(jù)分布范圍,可以用作進(jìn)廠檢驗(yàn)依據(jù),。

  一,、正向

  正向斷態(tài)特性為晶閘管正向特性的一部分,這部分特性描述了正向斷態(tài)電流和正向斷態(tài)電壓的瞬時(shí)值,。

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  圖1.斷態(tài)電流iD,R(VDRM,RRM)相對(duì)于ID,R(VDRM,RRM;Tvj max)的比值與結(jié)溫Tvj相對(duì)于Tvj max的比值之間的典型關(guān)系曲線

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  圖2.斷態(tài)電壓定義

  ·    正向斷態(tài)電流iD

  iD是晶閘管處于斷態(tài)時(shí)正向流過主端子的電流,。在數(shù)據(jù)手冊(cè)中,該值是針對(duì)電壓VDRM和最高結(jié)溫Tvjmax規(guī)定的,。

  正向斷態(tài)電流隨結(jié)溫Tvj而變(見圖7),。

  ·   正向斷態(tài)電壓vD

  vD是晶閘管處于斷態(tài)時(shí)正向施加于主端子的電壓。

  1.  正向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓VDRM

  VDRM是在正向斷態(tài)條件下,,所有重復(fù)峰值電壓中的最大重復(fù)電壓值,。

  在直流應(yīng)用中有必要降低VD(DC)。另見章節(jié)3.

  考慮到工作過程中產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓,,晶閘管工作時(shí)的電源電壓峰值通常等于最高額定斷態(tài)重復(fù)峰值電壓除以一個(gè)介于1.5和2.5之間的安全系數(shù),。

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  在瞬態(tài)電壓已知的情況下通常采用較低安全系數(shù)。這類情況通常是具有大儲(chǔ)能的自動(dòng)換向變流器,。對(duì)于電網(wǎng)提供的瞬態(tài)水平未知的變流器,,首選2.0至2.5的安全電壓裕量。

  如果在工作過程中很可能產(chǎn)生超過最高允許斷態(tài)重復(fù)峰值電壓的瞬態(tài)電壓,,則必須提供合適的瞬態(tài)電壓保護(hù)網(wǎng)絡(luò)(見7.1),。

  2.  正向斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓VDSM

  VDSM是施加在晶閘管上的正向電壓中的最高額定不重復(fù)峰值,,任何情況下晶閘管上的正向電壓都不得超過此值。

  3.  正向斷態(tài)直流電壓VD(DC)

  VD(DC)是斷態(tài)模式中長(zhǎng)期允許的正向直流電壓,。對(duì)于本文所述的半導(dǎo)體,,該值大約是一半的斷態(tài)重復(fù)峰值電壓。這對(duì)100fit(單位時(shí)間間隔內(nèi)的失效次數(shù),;1fit=每小時(shí)失效1小時(shí)失-9次,,即,器件工作109小時(shí)失效一次)左右的失效率是有效的,??蓱?yīng)要求提供不同直流電壓的預(yù)期失效率。

  ·   正向轉(zhuǎn)折電壓V(BO)

  V(BO)是在規(guī)定的門極電流下,,晶體管從斷態(tài)轉(zhuǎn)換到通態(tài)時(shí)的正向電壓,。

  例外:對(duì)于集成了轉(zhuǎn)折二極管(BOD)的光觸發(fā)晶閘管(LTT),V(BO)是發(fā)生晶閘管保護(hù)性觸發(fā)所需的最低電壓

  ·  門極開路正向轉(zhuǎn)折電壓V(BO)0

  V(B0)0是零柵電流對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)折電壓,。用高于V(B0)0的電壓觸發(fā)晶閘管可能導(dǎo)致器件損壞,。

  例外:光觸發(fā)晶閘管通過集成的轉(zhuǎn)折二極管(BOD)得到保護(hù)。

  ·   維持電流IH

  IH是使晶閘管維持通態(tài)所必需的最小通態(tài)電流值,。IH隨著結(jié)溫的升高而減?。ㄒ妶D9)。

  與規(guī)格相當(dāng)?shù)碾娪|發(fā)晶閘管相比,,光觸發(fā)晶閘管的維持電流要小得多,。

  ·  擎住電流IL

  IL是指門極電流衰減后,晶閘管維持通態(tài)所需的通態(tài)電流,。擎住電流隨門極電流的變化率,、峰值、持續(xù)時(shí)間以及結(jié)溫而變(見圖9),。

  例外:與規(guī)格相當(dāng)?shù)碾娪|發(fā)晶閘管相比,,光觸發(fā)晶閘管的擎住電流要小得多。

  ·    通態(tài)電流iT,ITAV,ITRMS,,iF, IFAV, IFRMS

  通態(tài)電流是晶閘管(iT,ITAV,ITRMS)或二極管(iF, IFAV,IFRMS)處于通態(tài)時(shí)流過主端子的電流,。每個(gè)參數(shù)的含義是:

  iT,iF=瞬時(shí)值

  ITAV, IFAV=平均值

  ITRMS, IFRMS=RMS(均方根)

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  圖3:歸一化的擎住電流IL和維持電流IH的典型關(guān)系曲線

  ·  通態(tài)電壓vT,vF

  vT,、vF是在規(guī)定的通態(tài)電流下施加于主端子的電壓,。通態(tài)電壓隨結(jié)溫而變。數(shù)據(jù)手冊(cè)中各給出的通態(tài)電壓值僅對(duì)處于完全導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管(vT)或二極管(vF)有效,。

  ·  通態(tài)特性

  通態(tài)特性是指在規(guī)定結(jié)溫下,,二極管或處于完全導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管的通態(tài)電流和通態(tài)電壓之間的關(guān)系。

  ·   VT(TO),、VF(TO)和rT的等值線近似

  等值線是對(duì)晶閘管(VT(TO),,rT)或二極管(VF(TO),,rT) 的通態(tài)特性的近似,用于計(jì)算通態(tài)功率耗散,。

  各參數(shù)含義為:

  VT(TO),,VF(TO)=門檻電壓

  rT=微分電阻或斜率電阻

  VT(TO)、VF(TO)的值是等值線近似與電壓軸的交點(diǎn)值,,rT是由等值線的上升率計(jì)算而來的,。可能有必要根據(jù)應(yīng)用調(diào)整數(shù)據(jù)手冊(cè)中顯示的等值線,,具體取決于冷卻情況,。因此,,在某些數(shù)據(jù)手冊(cè)中,,VT(TO)、VF(TO)和rT可能存在額外的低水平值,。

  對(duì)于具有高阻斷電壓的元件(T…1N,T…3N, D…1N),,等值線另外顯示為對(duì)典型通態(tài)特性的近似,其描述的大約為統(tǒng)計(jì)分布中的50%值,。在使用許多相同元件的應(yīng)用中,,可使用典型等值線類似計(jì)算整個(gè)裝置的導(dǎo)通損耗。

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圖4通態(tài)特性和其匹配的等值線近似示例

  ·         最大平均通態(tài)電流ITAVM,、IFAVM

  根據(jù)DIN VDE 0558第1部分,,ITAVM、IFAVM是單相半波阻性負(fù)載電路中的通態(tài)電流的最大允許連續(xù)平均值,,是在規(guī)定管殼溫度TC和40至60Hz的頻率下評(píng)定的,。

  具有低阻斷電壓的晶閘管或二極管的數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供了一張圖,此圖顯示了各種電流導(dǎo)通角對(duì)應(yīng)的最大平均通態(tài)電流和最高允許管殼溫度TC,。

  此圖只考慮了導(dǎo)通損耗,。對(duì)于具有高阻電壓(>2200 V)的元件,需要考慮額外的關(guān)斷損耗及一定程度的阻斷和開通損耗,。

  對(duì)于具有極高阻斷電壓(>4kV)的元件,,相應(yīng)數(shù)據(jù)表中不提供此圖。

  ·   最大RMS通態(tài)電流ITRMSM,、IFRMSM

  ITRMSM,、IFRMSM是在將器件的所有裝配件的電應(yīng)力和熱應(yīng)力都考慮在內(nèi)的前提下,RMS通態(tài)電流的最大允許值,。不論是壓接型型還是螺栓型模塊,,通態(tài)電流都不得超過此電流值,即使晶閘管(ITRMSM) 和二極管(IFRMSM)處于最佳冷卻狀態(tài),。

  ·  通態(tài)過載電流IT(OV),、IF(OV)

  IT(OV),、IF(OV)是指晶閘管IT(OV)或二極管IF(OV)在短時(shí)工作中可以傳導(dǎo)但又不失去控制性質(zhì)的最大允許通態(tài)電流值。在通態(tài)過載電流圖中,,此電流是不同預(yù)負(fù)載和時(shí)間t對(duì)應(yīng)的50Hz正弦半波峰值,。

  此圖未考慮發(fā)生在具有高阻斷電壓的器件中的阻斷或關(guān)斷損耗增加的情況。對(duì)于具有極高阻斷電壓 (>4kV)的元件,,數(shù)據(jù)手冊(cè)中不提供此圖,。

  ·   最大通態(tài)過載電流IT(OV)M、IF(OV)M

  IT(OV)M,、IF(OV)M是指為了使晶閘管(IT(OV)M)或二極管(IF(OV)M)不被損壞而必須關(guān)斷器件時(shí)的通態(tài)電流值,。這些值專用于設(shè)計(jì)保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。流經(jīng)晶閘管的電流達(dá)到該值時(shí),,晶閘管可能暫時(shí)失去正向阻斷能力和可控性,。

  最大通態(tài)過載電流特性將該值顯示為與時(shí)間t對(duì)應(yīng)的50Hz正弦半波峰值。分為兩種情況:空載工作超前和在最大平均通態(tài)電流下工作超前,。

  單獨(dú)數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供的最大通態(tài)過載電流特性適用于反向重復(fù)峰值電壓的80%的反向阻斷電壓,。如果實(shí)際反向電壓更低,則超前連續(xù)最大通態(tài)過載電流 ITAVM允許為更大的最大通態(tài)過載電流,,如圖11和圖12所示,。無法據(jù)此確定無超前負(fù)載器件的狀況。

  此圖未考慮發(fā)生在具有高阻斷電壓的器件中的阻斷或關(guān)斷損耗增加的情況,。對(duì)于具有極高阻斷電壓 (>4kV)的元件,,數(shù)據(jù)手冊(cè)中不提供此圖。這些器件的保護(hù)設(shè)計(jì)如章節(jié)7.2所述,。

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  圖5最大通態(tài)過載電流IT(OV)M,、IF(OV)M(與10ms和Tvj max對(duì)應(yīng)的浪涌電流ITSM或IFSM有關(guān))與50Hz正弦半波數(shù)之間的典型關(guān)系曲線。參數(shù):反向阻斷電壓VRM

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  圖6. 數(shù)個(gè)50Hz正弦半波的最大通態(tài)過載電流 IT(OV)M,、IF(OV)M(與10ms和Tvj max對(duì)應(yīng)的浪涌電流ITSM或IFSM有關(guān))與時(shí)間t之間的典型關(guān)系曲線,。參數(shù):反向阻斷電壓VRM

  ·  通態(tài)浪涌電流ITSM、IFSM

  ITSM,、IFSM是指在25°C的條件下(相當(dāng)于在無負(fù)載狀態(tài)下短路)或在最高允許結(jié)溫下的開通狀態(tài)下(相當(dāng)于在永久加載最大允許電流后短路),,一個(gè) 50Hz正弦半波電流脈沖的最大允許峰值。當(dāng)半導(dǎo)體承受通態(tài)浪涌電流時(shí),,器件失去阻斷能力,。因此,隨后不得施加負(fù)向電壓,。如果結(jié)溫已回落至允許的工作溫度范圍內(nèi),,則在故障情況中這種應(yīng)力可能以一種非周期性方式重復(fù)出現(xiàn)。

  超過最大允許值時(shí),器件可能損壞(如需了解詳情,,請(qǐng)參閱章節(jié)7.2過流保護(hù)),。

  ·   最大額定值∫i2dt

  ∫i2dt是通態(tài)浪涌電流的平方對(duì)時(shí)間的積分。

  最大額定∫i2dt值可用于確定短路保護(hù)(見7.2),。

  對(duì)于周期短于10ms的正弦半波,,最大額定∫i2dt值如圖13所示。電壓應(yīng)力和重復(fù)性同樣適用于通態(tài)浪涌電流,。超過最大允許值時(shí),,器件可能損壞。此外,,尤其是對(duì)大直徑晶閘管而言,,不得超過允許的臨界開通電流變化率(di/dt)cr。

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圖7.歸一化到òi2dt值(10ms)的òi2dt與正弦半波持續(xù)時(shí)間tP之間的典型關(guān)系曲線


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