大功率晶闸管参数解析之正向特性

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编者按

功率二极管晶闸管广泛应用于AC/DC变换器、UPS、交流静态开关、SVC和电解氢等场合,但大多数工程师对这类双极性器件的了解不及对IGBT的了解,为此我们组织了6篇连载,包括正向特性,动态特性,控制特性,保护以及损耗与热特性。

内容摘自英飞凌英文版应用指南AN2012-01《双极性半导体技术信息》。

电气特性

二极管和晶闸管的电气特性随温度变化而变化,因此只有针对特定温度给出的电气特性才是有效的。除非另有说明,否则数据手册中的所有值均适用于40至60Hz的电源频率。

最大值为制造商以绝对极限值形式给出的值,通常即使在短时间内也不可超过此值,否则可能导致元件功能下降或损坏。特征值为规定条件下的数据分布范围,可以用作进厂检验依据。

一、正向

正向断态特性为晶闸管正向特性的一部分,这部分特性描述了正向断态电流和正向断态电压的瞬时值。

“图1.断态电流iD,R(VDRM,RRM)相对于ID,R(VDRM,RRM;Tvj
图1.断态电流iD,R(VDRM,RRM)相对于ID,R(VDRM,RRM;Tvj max)的比值与结温Tvj相对于Tvj max的比值之间的典型关系曲线

“图2.断态电压定义
图2.断态电压定义

• 正向断态电流iD

iD是晶闸管处于断态时正向流过主端子的电流。在数据手册中,该值是针对电压VDRM和最高结温Tvjmax规定的。

正向断态电流随结温Tvj而变(见图7)。

• 正向断态电压vD
vD是晶闸管处于断态时正向施加于主端子的电压。

1. 正向断态重复峰值电压VDRM

VDRM是在正向断态条件下,所有重复峰值电压中的最大重复电压值。

在直流应用中有必要降低VD(DC)。另见章节3.

考虑到工作过程中产生的瞬态电压,晶闸管工作时的电源电压峰值通常等于最高额定断态重复峰值电压除以一个介于1.5和2.5之间的安全系数。

“大功率晶闸管参数解析之正向特性

在瞬态电压已知的情况下通常采用较低安全系数。这类情况通常是具有大储能的自动换向变流器。对于电网提供的瞬态水平未知的变流器,首选2.0至2.5的安全电压裕量。

如果在工作过程中很可能产生超过最高允许断态重复峰值电压的瞬态电压,则必须提供合适的瞬态电压保护网络(见7.1)。

2. 正向断态不重复峰值电压VDSM

VDSM是施加在晶闸管上的正向电压中的最高额定不重复峰值,任何情况下晶闸管上的正向电压都不得超过此值。

3. 正向断态直流电压VD(DC)

VD(DC)是断态模式中长期允许的正向直流电压。对于本文所述的半导体,该值大约是一半的断态重复峰值电压。这对100fit(单位时间间隔内的失效次数;1fit=每小时失效1小时失-9次,即,器件工作109小时失效一次)左右的失效率是有效的。可应要求提供不同直流电压的预期失效率。

• 正向转折电压V(BO)

V(BO)是在规定的门极电流下,晶体管从断态转换到通态时的正向电压。

例外:对于集成了转折二极管(BOD)的光触发晶闸管(LTT),V(BO)是发生晶闸管保护性触发所需的最低电压

• 门极开路正向转折电压V(BO)0

V(B0)0是零栅电流对应的转折电压。用高于V(B0)0的电压触发晶闸管可能导致器件损坏。

例外:光触发晶闸管通过集成的转折二极管(BOD)得到保护。

• 维持电流IH

IH是使晶闸管维持通态所必需的最小通态电流值。IH随着结温的升高而减小(见图9)。

与规格相当的电触发晶闸管相比,光触发晶闸管的维持电流要小得多。

• 擎住电流IL

IL是指门极电流衰减后,晶闸管维持通态所需的通态电流。擎住电流随门极电流的变化率、峰值、持续时间以及结温而变(见图9)。

例外:与规格相当的电触发晶闸管相比,光触发晶闸管的擎住电流要小得多。

• 通态电流iT,ITAV,ITRMS,iF, IFAV, IFRMS

通态电流是晶闸管(iT,ITAV,ITRMS)或二极管(iF, IFAV,IFRMS)处于通态时流过主端子的电流。每个参数的含义是:
iT,iF=瞬时值
ITAV, IFAV=平均值
ITRMS, IFRMS=RMS(均方根)

“图3:归一化的擎住电流IL和维持电流IH的典型关系曲线
图3:归一化的擎住电流IL和维持电流IH的典型关系曲线

• 通态电压vT,vF

vT、vF是在规定的通态电流下施加于主端子的电压。通态电压随结温而变。数据手册中各给出的通态电压值仅对处于完全导通状态的晶闸管(vT)或二极管(vF)有效。

• 通态特性

通态特性是指在规定结温下,二极管或处于完全导通状态的晶闸管的通态电流和通态电压之间的关系。

• VT(TO)、VF(TO)和rT的等值线近似

等值线是对晶闸管(VT(TO),rT)或二极管(VF(TO),rT) 的通态特性的近似,用于计算通态功率耗散。

各参数含义为:

VT(TO),VF(TO)=门槛电压

rT=微分电阻或斜率电阻

VT(TO)、VF(TO)的值是等值线近似与电压轴的交点值,rT是由等值线的上升率计算而来的。可能有必要根据应用调整数据手册中显示的等值线,具体取决于冷却情况。因此,在某些数据手册中,VT(TO)、VF(TO)和rT可能存在额外的低水平值。

对于具有高阻断电压的元件(T...1N,T...3N, D...1N),等值线另外显示为对典型通态特性的近似,其描述的大约为统计分布中的50%值。在使用许多相同元件的应用中,可使用典型等值线类似计算整个装置的导通损耗。

“图4通态特性和其匹配的等值线近似示例
图4通态特性和其匹配的等值线近似示例

• 最大平均通态电流ITAVM、IFAVM

根据DIN VDE 0558第1部分,ITAVM、IFAVM是单相半波阻性负载电路中的通态电流的最大允许连续平均值,是在规定管壳温度TC和40至60Hz的频率下评定的。

具有低阻断电压的晶闸管或二极管的数据手册中提供了一张图,此图显示了各种电流导通角对应的最大平均通态电流和最高允许管壳温度TC。

此图只考虑了导通损耗。对于具有高阻电压(>2200 V)的元件,需要考虑额外的关断损耗及一定程度的阻断和开通损耗。

对于具有极高阻断电压(>4kV)的元件,相应数据表中不提供此图。

• 最大RMS通态电流ITRMSM、IFRMSM

ITRMSM、IFRMSM是在将器件的所有装配件的电应力和热应力都考虑在内的前提下,RMS通态电流的最大允许值。不论是压接型型还是螺栓型模块,通态电流都不得超过此电流值,即使晶闸管(ITRMSM) 和二极管(IFRMSM)处于最佳冷却状态。

• 通态过载电流IT(OV)、IF(OV)

IT(OV)、IF(OV)是指晶闸管IT(OV)或二极管IF(OV)在短时工作中可以传导但又不失去控制性质的最大允许通态电流值。在通态过载电流图中,此电流是不同预负载和时间t对应的50Hz正弦半波峰值。

此图未考虑发生在具有高阻断电压的器件中的阻断或关断损耗增加的情况。对于具有极高阻断电压 (>4kV)的元件,数据手册中不提供此图。

• 最大通态过载电流IT(OV)M、IF(OV)M

IT(OV)M、IF(OV)M是指为了使晶闸管(IT(OV)M)或二极管(IF(OV)M)不被损坏而必须关断器件时的通态电流值。这些值专用于设计保护网络。流经晶闸管的电流达到该值时,晶闸管可能暂时失去正向阻断能力和可控性。

最大通态过载电流特性将该值显示为与时间t对应的50Hz正弦半波峰值。分为两种情况:空载工作超前和在最大平均通态电流下工作超前。

单独数据手册中提供的最大通态过载电流特性适用于反向重复峰值电压的80%的反向阻断电压。如果实际反向电压更低,则超前连续最大通态过载电流 ITAVM允许为更大的最大通态过载电流,如图11和图12所示。无法据此确定无超前负载器件的状况。

此图未考虑发生在具有高阻断电压的器件中的阻断或关断损耗增加的情况。对于具有极高阻断电压 (>4kV)的元件,数据手册中不提供此图。这些器件的保护设计如章节7.2所述。

“图5最大通态过载电流IT(OV)M、IF(OV)M(与10ms和Tvj
图5最大通态过载电流IT(OV)M、IF(OV)M(与10ms和Tvj max对应的浪涌电流ITSM或IFSM有关)与50Hz正弦半波数之间的典型关系曲线。参数:反向阻断电压VRM

“图6.
图6. 数个50Hz正弦半波的最大通态过载电流 IT(OV)M、IF(OV)M(与10ms和Tvj max对应的浪涌电流ITSM或IFSM有关)与时间t之间的典型关系曲线。参数:反向阻断电压VRM

• 通态浪涌电流ITSM、IFSM

ITSM、IFSM是指在25°C的条件下(相当于在无负载状态下短路)或在最高允许结温下的开通状态下(相当于在永久加载最大允许电流后短路),一个 50Hz正弦半波电流脉冲的最大允许峰值。当半导体承受通态浪涌电流时,器件失去阻断能力。因此,随后不得施加负向电压。如果结温已回落至允许的工作温度范围内,则在故障情况中这种应力可能以一种非周期性方式重复出现。

超过最大允许值时,器件可能损坏(如需了解详情,请参阅章节7.2过流保护)。

• 最大额定值∫i²dt

∫i²dt是通态浪涌电流的平方对时间的积分。

最大额定∫i²dt值可用于确定短路保护(见7.2)。

对于周期短于10ms的正弦半波,最大额定∫i²dt值如图13所示。电压应力和重复性同样适用于通态浪涌电流。超过最大允许值时,器件可能损坏。此外,尤其是对大直径晶闸管而言,不得超过允许的临界开通电流变化率(di/dt)cr。

“图7.归一化到òi²dt值(10ms)的òi²dt与正弦半波持续时间tP之间的典型关系曲线
图7.归一化到òi²dt值(10ms)的òi²dt与正弦半波持续时间tP之间的典型关系曲线

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