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(jié)構(gòu)附近的小塊區(qū)域?qū)?。由此產(chǎn)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(zhuǎn)入導通狀態(tài)時，由于載流子存儲效應，二極管處產(chǎn)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(chǎn)生的最高電壓值。該值隨著結(jié)溫和電流變化率的升高而增大。

 

電網(wǎng) (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(shù)關系。

 

■  3.4.1.1.2 通態(tài)恢復時間tfr

 

根據(jù)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(xiàn)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(nèi)，晶閘管上的阻斷電壓下降至90%（見圖21）。最初只有門極結(jié)構(gòu)周圍的一小塊區(qū)域?qū)?，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?。ㄒ妶D22）。

 

在大功率晶閘管中，tgd也隨VD而變。

 

數(shù)據(jù)手冊中給出的值是依據(jù)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(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的臨界電流轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)）。因此，這些類型表現(xiàn)出更高的(di/dt)cr。

 

根據(jù)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(jié)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(shù)據(jù)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)幾乎呈線性，此時晶閘管不會切換到通態(tài)。

 

對于電壓指數(shù)上升，它是一條從最大值的0%開始，到63%結(jié)束的線，并且與指數(shù)函數(shù)相交。

 

它適用于觸發(fā)電路開路和最高允許結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)區(qū)。

 

軟度系數(shù)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(zhuǎn)換到反向斷態(tài)后流出半導體的電荷總量。該值隨著結(jié)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(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的值為最大值，該值在生產(chǎn)過程中經(jīng)過100%測試。

 

恢復電荷Qr主要隨結(jié)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(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的值為最大值，該值在生產(chǎn)過程中經(jīng)過100%測試。

 

反向恢復電流峰值IRM主要隨結(jié)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(chǎn)生正向斷態(tài)電壓前在應用中實現(xiàn)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(jié)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(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的值僅對下列條件有效：

 

結(jié)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(wǎng)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(jié)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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