【導讀】功率二極管晶閘管廣泛應用于AC/DC變換器、UPS、交流靜態(tài)開關、SVC和電解氫等場合,但大多數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。內容摘自英飛凌英文版應用指南AN2012-01《雙極性半導體技術信息》。
3.4 載流子存儲效應和開關特性
當功率半導體的工作狀態(tài)變化時,由于載流子存儲效應,電流和電壓的穩(wěn)態(tài)值不會立即改變。
此外,晶閘管觸發(fā)時只有門極結構附近的小塊區(qū)域導通。由此產生的開關損耗必須以熱的形式從半導體中散發(fā)出去。
3.4.1 開通
3.4.1.1 二極管
從非導通或阻斷狀態(tài)轉入導通狀態(tài)時,由于載流子存儲效應,二極管處產生電壓峰值(見圖20)。
圖20.二極管開通過程示意圖
■ 3.4.1.1.1 正向恢復電壓峰值VFRM
VFRM是正向回復期間產生的最高電壓值。該值隨著結溫和電流變化率的升高而增大。
電網 (50/60Hz)的電流變化率適中,VFRM可以忽略不計。但是在 di/dt>>1000A/μs的快速開關(IGBT、GTO和IGCT)自動換向變流器中,該值可能達到幾百伏。雖然正向恢復電壓僅存在幾微秒,且不會顯著增大二極管的總損耗,設計變流器時仍需考慮該值對開關半導體的影響。
針對這些應用優(yōu)化的二極管圖表包含了正向恢復電壓和電流變化率之間的函數關系。
■ 3.4.1.1.2 通態(tài)恢復時間tfr
根據DIN IEC 60747-2,tfr是指突然從關斷狀態(tài)切換為規(guī)定的通態(tài)時,二極管完全導通且出現靜態(tài)通態(tài)電壓vF所需的時間(見圖20)。
3.4.1.2 晶閘管
在正向斷態(tài)電壓VD下通過變化率為diG/dt且強度為iGM的門極電流啟動開通過程。對于光觸發(fā)晶閘管,這同樣適用于施加在激光二極管上的規(guī)定觸發(fā)脈沖。在門極控制延遲時間tgd內,晶閘管上的阻斷電壓下降至90%(見圖21)。最初只有門極結構周圍的一小塊區(qū)域導通,因此可使用初始電流密度和通態(tài)電流(di/dt)cr的臨界上升率來衡量晶閘管在開通期間的穩(wěn)健性。
圖21.晶閘管開通過程示意圖
a.具有關斷負載電路的門極電流
b.具有快速上升通態(tài)電流的門極電流(另見3.3.1.8)
圖22.門極控制延遲時間tgd與最大門極電流iGM之間的典型關系曲線
a.最大值 b.典型值
■ 3.4.1.2.1 門極控制延遲時間tgd
tgd是指從門極電流達到其最大值
IGM的10%時起,到陽極-陰極電壓下降至施加的正向斷態(tài)電壓VD的90%以下的間隔時間(見圖21)。
門極控制延遲時間隨著門極電流(對于LTTs為光功率)的增加而顯著減小(見圖22)。
在大功率晶閘管中,tgd也隨VD而變。
數據手冊中給出的值是依據DIN IEC 60747–6定義的,僅在Tvj=25°C和規(guī)定的觸發(fā)脈沖下有效。
■ 3.4.1.2.2 通態(tài)電流臨界上升率(di/dt)cr
一旦電壓因晶閘管觸發(fā)而崩潰,門極結構附近的一小塊陰極區(qū)域就開始傳導通態(tài)電流。然后此導電區(qū)域向外擴散,擴散速度通常為0.1mm/μs,具體取決于電流密度。因此系統(tǒng)的載流能力最初是有限的。但是,如果不超過數據手冊中規(guī)定的臨界電流轉換速率值,晶閘管就不會受損或損壞。對于S型晶閘管和具有大方形截面的晶閘管,門極得到分散(指條結構)。因此,這些類型表現出更高的(di/dt)cr。
根據DIN IEC 60747-6,臨界電流上升時間(di/dt)cr與阻尼正弦半波期間加載的通態(tài)電流有關。它被定義為在以下條件下,穿過上升通態(tài)電流10%和50%這兩個點的直線的角度(見圖21,圖47)。
結溫:Tvj=Tvj max
正向斷態(tài)電壓:VD=0.67VDRM
峰值電流:iTM=2ITAVM
重復頻率:f0=50Hz
在單獨數據手冊中定義了觸發(fā)脈沖(另見3.3.1.8)。
例外:用正向斷態(tài)電壓VD=VDRM測試光觸發(fā)晶閘管。
■ 3.4.1.2.3 重復開通電流IT(RC)M
IT(RC)M是指以某個不確定上升率開通后隨即產生的最大允許通態(tài)電流峰值。通常,這種通態(tài)電流是因RC緩沖電路放電產生的。最大允許重復開通電流還適用于以下達到通態(tài)電流臨界上升率(di/dt)cr的電流急升情況。
對于英飛凌元件,適用以下值:
IT(RC)M=100A
例外:型號命名為T...1N或T...3N的元件
IT(RC)M=150A
對于超過60Hz的應用,須減小臨界電流上升時間(di/dt)cr和重復開通電流IT(RC)M。應要求提供針對特定條件的詳細信息。
■ 3.4.1.2.4 斷態(tài)電壓臨界上升率(dv/dt)cr
(dv/dt)cr是正向施加的電壓上升率最大值,該值在0%至67%VDRM區(qū)間內幾乎呈線性,此時晶閘管不會切換到通態(tài)。
對于電壓指數上升,它是一條從最大值的0%開始,到63%結束的線,并且與指數函數相交。
它適用于觸發(fā)電路開路和最高允許結溫。超過(dv/dt)cr可能導致器件損壞。
例外:除過壓保護(BOD)以外,光觸發(fā)晶閘管還集成了dv/dt保護功能。當dv/dt升高時,此功能可使晶閘管在整個門極結構上安全觸發(fā)。
3.4.2 關斷
通常通過施加反向電壓來啟動關斷功能。晶閘管或二極管的負載電流不會在過零時停止,而是作為反向恢復電流繼續(xù)沿反向流動,直到載流子離開結區(qū)。
軟度系數FRRS描述的是關斷過程中電流上升率的關系。
3.4.2.1 恢復電荷Qr
Qr是半導體從通態(tài)轉換到反向斷態(tài)后流出半導體的電荷總量。該值隨著結溫、通態(tài)電流幅值和下降時間的增大而增大。除非另有說明,否則規(guī)定值僅在VR=0.5VRRM和VRM=0.8VRRM的條件下有效。為此指定了采用合適設計的RC緩沖電路。對于型號命名為T...1N、T...3N和D...1N的元件,數據手冊中規(guī)定的值為最大值,該值在生產過程中經過100%測試。
恢復電荷Qr主要隨結溫Tvj和衰減電流的下降率而變(見圖24和圖25)。
圖23.晶閘管和二極管的關斷過程示意圖
圖24.歸一化到Qr(Tvj max)的恢復電荷Qr與Tvj的典型關系曲線
圖25.歸一化到Qr(di/dt=10A/μs)的恢復電荷Qr與di/dt的典型關系曲線
3.4.2.2 反向恢復電流峰值IRM
IRM是反向恢復電流的最大值。Qr的關系曲線和工作條件也適用。如果圖中未顯示IRM,可通過以下公式大致確定IRM的值:
對于型號命名為T...1N、T...3N和D...1N的元件,數據手冊中規(guī)定的值為最大值,該值在生產過程中經過100%測試。
反向恢復電流峰值IRM主要隨結溫Tvj和衰減電流的下降率而變(見圖26和圖27)。
圖26.歸一化到IRM(Tvj max)的反向恢復電流峰值IRM與Tvj的典型關系曲線
圖27.歸一化到IRM(di/dt=10A/μs)的反向恢復電流峰值IRM與di/dt的典型關系曲線
3.4.2.3 反向恢復時間trr
trr是指從電流過零時起,到穿過反向衰減恢復電流的90%和25%這兩個點的直線過零時的時間間隔(見圖23)。如果沒有規(guī)定trr,可通過以下公式大致計算該值:
3.4.2.4 關斷時間tq
tq是指從反向換向的電流過零時起,到重新施加的正向斷態(tài)電壓不會在沒有控制脈沖的情況下使晶閘管開通時的時間間隔。
重新產生正向斷態(tài)電壓前在應用中實現的實際脈沖時間被稱為延遲時間。此時間必須始終比關斷時間長。關斷時間主要隨通態(tài)電流的下降時間、正向斷態(tài)電壓的上升率及結溫而變(見圖29到圖31)。為了確定tq,所選的正向電流持續(xù)時間tp必須足夠長,使晶閘管在換向點可以完全開通(見圖28)。數據手冊中規(guī)定的值僅對下列條件有效:
結溫:Tvj=Tvj max
通態(tài)電流強度:iTM>ITAVM
通態(tài)電流下降率:-diT/dt=10A/μs
反向電壓:VRM=100V
正向斷態(tài)電壓上升率:dvD/dt=20V/μs
正向斷態(tài)電壓:VDM=0.67VDRM
例外:快速晶閘管換向關斷的電流下降率為-di/dt=20A/μs時,此處的dvD/dt可能有所不同,通過型號命名中的第5個字母確定(見章節(jié)2.3)。
對于相控晶閘管,通常規(guī)定的是關斷時間的典型值,因為這類晶閘管主要用于電網換相變流器。在這些應用中,延遲時間通常比晶閘管的關斷時間長得多。如果延遲時間比關斷時間短,晶閘管將在不施加門極脈沖的情況下,隨著正向斷態(tài)電壓上升而再次開通,并且可能導致器件損壞(如有必要,可按要求提供tq極限值)。
如果晶閘管和反向二極管(例如續(xù)流二極管)一起工作,由于換向電壓較低,必須考慮更長的關斷時間(通常長30%)。此外,在此類應用中,應使續(xù)流電路的電感最小,否則關斷時間可能會顯著增加。
圖28.晶閘管的關斷特性示意圖
圖29.歸一化到Tvj max的關斷時間tq與結溫Tvj的典型關系曲線
圖30.歸一化到-diT/dtnorm的關斷時間tq與關斷換向下降率-diT/dt的典型關系曲線
圖31.歸一化到dvD/dt=20V/μs的關斷時間tq與斷態(tài)電壓上升率dvD/dt的典型關系曲線
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