大功率晶閘管參數(shù)解析之正向特性

編者按

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和電解氫等場合，但大多數(shù)工程師對這類雙極性器件的了解不及對IGBT的了解，為此我們組織了6篇連載，包括正向特性，動態(tài)特性，控制特性，保護以及損耗與熱特性。

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極限值形式給出的值，通常即使在短時間內(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，可以用作進廠檢驗依據(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)電壓的瞬時值。

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

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)時正向流過主端子的電流。在數(shù)據(jù)手冊中，該值是針對電壓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)峰值電壓除以一個介于1.5和2.5之間的安全系數(shù)。

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能的自動換向變流器。對于電網(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)模式中長期允許的正向直流電壓。對于本文所述的半導(dǎo)體，該值大約是一半的斷態(tài)重復(fù)峰值電壓。這對100fit（單位時間間隔內(nèi)的失效次數(shù)；1fit=每小時失效1小時失-9次，即，器件工作109小時失效一次）左右的失效率是有效的。可應(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)時的正向電壓。

例外：對于集成了轉(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。

●   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)溫的升高而減小（見圖9）。

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)時流過主端子的電流。每個參數(shù)的含義是：

iT,iF=瞬時值

ITAV, IFAV=平均值

ITRMS, IFRMS=RMS（均方根）

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)手冊中各給出的通態(tài)電壓值僅對處于完全導(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值，rT是由等值線的上升率計算而來的?？赡苡斜匾鶕?jù)應(yīng)用調(diào)整數(shù)據(jù)手冊中顯示的等值線，具體取決于冷卻情況。因此，在某些數(shù)據(jù)手冊中，VT(TO)、VF(TO)和rT可能存在額外的低水平值。

對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典型通態(tài)特性的近似，其描述的大約為統(tǒng)計分布中的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算整個裝置的導(dǎo)通損耗。

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的頻率下評定的。

具有低阻斷電壓的晶閘管或二極管的數(shù)據(jù)手冊中提供了一張圖，此圖顯示了各種電流導(dǎo)通角對應(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)負載和時間t對應(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。對于具有極高阻斷電壓 (>4kV)的元件，數(shù)據(jù)手冊中不提供此圖。

●   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)斷器件時的通態(tài)電流值。這些值專用于設(shè)計保護網(wǎng)絡(luò)。流經(jīng)晶閘管的電流達到該值時，晶閘管可能暫時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間t對應(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。

單獨數(shù)據(jù)手冊中提供的最大通態(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。對于具有極高阻斷電壓 (>4kV)的元件，數(shù)據(jù)手冊中不提供此圖。這些器件的保護設(shè)計如章節(jié)7.2所述。

圖5最大通態(tài)過載電流IT(OV)M、IF(OV)M（與10ms和Tvj max對應(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

圖6 數(shù)個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對應(yīng)的浪涌電流ITSM或IFSM有關(guān)）與時間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 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，器件失去阻斷能力。因此，隨后不得施加負向電壓。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，器件可能損壞（如需了解詳情，請參閱章節(jié)7.2過流保護）。

●   最大額定值∫i2dt

∫i2dt是通態(tài)浪涌電流的平方對時間的積分。

最大額定∫i2dt值可用于確定短路保護（見7.2）。

對于周期短于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，器件可能損壞。此外，尤其是對大直徑晶閘管而言，不得超過允許的臨界開通電流變化率(di/dt)cr。

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