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大功率晶閘管參數解析之正向特性

2021-08-13 來源:EEWORLD

編者按


功率二極管晶閘管廣泛應用于AC/DC變換器、UPS、交流靜態開關、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》。


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,否則數據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也不可超過此值,否則可能導致元件功能下降或損壞。特征值為規定條件下的數據分布范圍,可以用作進廠檢驗依據。


正向


正向斷態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電流和正向斷態電壓的瞬時值。


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圖1.斷態電流iD,R(VDRM,RRM)相對于ID,R(VDRM,RRM;Tvj max)的比值與結溫Tvj相對于Tvj max的比值之間的典型關系曲線

 

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圖2.斷態電壓定義


?正向斷態電流iD


iD是晶閘管處于斷態時正向流過主端子的電流。在數據手冊中,該值是針對電壓VDRM和最高結溫Tvjmax規定的。


正向斷態電流隨結溫Tvj而變(見圖7)。


?正向斷態電壓vD


vD是晶閘管處于斷態時正向施加于主端子的電壓。


1. 正向斷態重復峰值電壓VDRM


VDRM是在正向斷態條件下,所有重復峰值電壓中的最大重復電壓值。


在直流應用中有必要降低VD(DC)。另見章節3.


考慮到工作過程中產生的瞬態電壓,晶閘管工作時的電源電壓峰值通常等于最高額定斷態重復峰值電壓除以一個介于1.5和2.5之間的安全系數。

 

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在瞬態電壓已知的情況下通常采用較低安全系數。這類情況通常是具有大儲能的自動換向變流器。對于電網提供的瞬態水平未知的變流器,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生超過最高允許斷態重復峰值電壓的瞬態電壓,則必須提供合適的瞬態電壓保護網絡(見7.1)。


2. 正向斷態不重復峰值電壓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. 正向斷態直流電壓VD(DC)


VD(DC)是斷態模式中長期允許的正向直流電壓。對于本文所述的半導體,該值大約是一半的斷態重復峰值電壓。這對100fit(單位時間間隔內的失效次數;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。可應要求提供不同直流電壓的預期失效率。


?正向轉折電壓V(BO)


V(BO)是在規定的門極電流下,晶體管從斷態轉換到通態時的正向電壓。


例外:對于集成了轉折二極管(BOD)的光觸發晶閘管(LTT),V(BO)是發生晶閘管保護性觸發所需的最低電壓


?門極開路正向轉折電壓V(BO)0


V(B0)0是零柵電流對應的轉折電壓。用高于V(B0)0的電壓觸發晶閘管可能導致器件損壞。

例外:光觸發晶閘管通過集成的轉折二極管(BOD)得到保護。


?維持電流IH


IH是使晶閘管維持通態所必需的最小通態電流值。IH隨著結溫的升高而減小(見圖9)。

與規格相當的電觸發晶閘管相比,光觸發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,晶閘管維持通態所需的通態電流。擎住電流隨門極電流的變化率、峰值、持續時間以及結溫而變(見圖9)。


例外:與規格相當的電觸發晶閘管相比,光觸發晶閘管的擎住電流要小得多。


?通態電流iT,ITAV,ITRMS,iF, IFAV, IFRMS


通態電流是晶閘管(iT,ITAV,ITRMS)或二極管(iF, IFAV,IFRMS)處于通態時流過主端子的電流。每個參數的含義是:


                iT,iF=瞬時值

                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的典型關系曲線


?通態電壓vT,vF


vT、vF是在規定的通態電流下施加于主端子的電壓。通態電壓隨結溫而變。數據手冊中各給出的通態電壓值僅對處于完全導通狀態的晶閘管(vT)或二極管(vF)有效。


?通態特性


通態特性是指在規定結溫下,二極管或處于完全導通狀態的晶閘管的通態電流和通態電壓之間的關系。


?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) 的通態特性的近似,用于計算通態功率耗散。


各參數含義為:


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。可能有必要根據應用調整數據手冊中顯示的等值線,具體取決于冷卻情況。因此,在某些數據手冊中,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特性的近似,其描述的大約為統計分布中的50%值。在使用許多相同元件的應用中,可使用典型等值線類似計算整個裝置的導通損耗。

 

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圖4通態特性和其匹配的等值線近似示例


?最大平均通態電流ITAVM、IFAVM


根據DIN VDE 0558第1部分,ITAVM、IFAVM是單相半波阻性負載電路中的通態電流的最大允許連續平均值,是在規定管殼溫度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據手冊中提供了一張圖,此圖顯示了各種電流導通角對應的最大平均通態電流和最高允許管殼溫度TC。


此圖只考慮了導通損耗。對于具有高阻電壓(>2200 V)的元件,需要考慮額外的關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,相應數據表中不提供此圖。


?最大RMS通態電流ITRMSM、IFRMSM


ITRMSM、IFRMSM是在將器件的所有裝配件的電應力和熱應力都考慮在內的前提下,RMS通態電流的最大允許值。不論是壓接型型還是螺栓型模塊,通態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。


?通態過載電流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但又不失去控制性質的最大允許通態電流值。在通態過載電流圖中,此電流是不同預負載和時間t對應的50Hz正弦半波峰值。


此圖未考慮發生在具有高阻斷電壓的器件中的阻斷或關斷損耗增加的情況。對于具有極高阻斷電壓 (>4kV)的元件,數據手冊中不提供此圖。


?最大通態過載電流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)不被損壞而必須關斷器件時的通態電流值。這些值專用于設計保護網絡。流經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。


最大通態過載電流特性將該值顯示為與時間t對應的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電流下工作超前。


單獨數據手冊中提供的最大通態過載電流特性適用于反向重復峰值電壓的80%的反向阻斷電壓。如果實際反向電壓更低,則超前連續最大通態過載電流 ITAVM允許為更大的最大通態過載電流,如圖11和圖12所示。無法據此確定無超前負載器件的狀況。


此圖未考慮發生在具有高阻斷電壓的器件中的阻斷或關斷損耗增加的情況。對于具有極高阻斷電壓 (>4kV)的元件,數據手冊中不提供此圖。這些器件的保護設計如章節7.2所述。

 

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圖5最大通態過載電流IT(OV)M、IF(OV)M(與10ms和Tvj max對應的浪涌電流ITSM或IFSM有關)與50Hz正弦半波數之間的典型關系曲線。參數:反向阻斷電壓VRM

 

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圖6.數個50Hz正弦半波的最大通態過載電流 IT(OV)M、IF(OV)M(與10ms和Tvj max對應的浪涌電流ITSM或IFSM有關)與時間t之間的典型關系曲線。參數:反向阻斷電壓VRM


?通態浪涌電流ITSM、IFSM


ITSM、IFSM是指在25°C的條件下(相當于在無負載狀態下短路)或在最高允許結溫下的開通狀態下(相當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。當半導體承受通態浪涌電流時,器件失去阻斷能力。因此,隨后不得施加負向電壓。如果結溫已回落至允許的工作溫度范圍內,則在故障情況中這種應力可能以一種非周期性方式重復出現。


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7.2過流保護)。


?最大額定值∫i2dt


∫i2dt是通態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。電壓應力和重復性同樣適用于通態浪涌電流。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。

 

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


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