3.4 載流子存儲效應和開(kāi)關(guān)特性

 

 

當功率半導體的工作狀態(tài)變化時(shí)，由于載流子存儲效應，電流和電壓的穩態(tài)值不會(huì )立即改變。

 

此外，晶閘管觸發(fā)時(shí)只有門(mén)極結構附近的小塊區域導通。由此產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)損耗必須以熱的形式從半導體中散發(fā)出去。

 

3.4.1 開(kāi)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(shí)，由于載流子存儲效應，二極管處產(chǎn)生電壓峰值（見(jiàn)圖20）。

 

圖20.二極管開(kāi)通過(guò)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(zhù)結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(kāi)關(guān)（IGBT、GTO和IGCT）自動(dòng)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(huì )顯著(zhù)增大二極管的總損耗，設計變流器時(shí)仍需考慮該值對開(kāi)關(guān)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(guān)系。

 

■  3.4.1.1.2 通態(tài)恢復時(shí)間tfr

 

根據DIN IEC 60747-2，tfr是指突然從關(guān)斷狀態(tài)切換為規定的通態(tài)時(shí)，二極管完全導通且出現靜態(tài)通態(tài)電壓vF所需的時(shí)間（見(jiàn)圖20）。

 

3.4.1.2  晶閘管

 

在正向斷態(tài)電壓VD下通過(guò)變化率為diG/dt且強度為iGM的門(mén)極電流啟動(dòng)開(kāi)通過(guò)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定觸發(fā)脈沖。在門(mén)極控制延遲時(shí)間tgd內，晶閘管上的阻斷電壓下降至90%（見(jiàn)圖21）。最初只有門(mén)極結構周?chē)囊恍K區域導通，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(lái)衡量晶閘管在開(kāi)通期間的穩健性。

 

圖21.晶閘管開(kāi)通過(guò)程示意圖

 

a.具有關(guān)斷負載電路的門(mén)極電流

b.具有快速上升通態(tài)電流的門(mén)極電流（另見(jiàn)3.3.1.8）

 

圖22.門(mén)極控制延遲時(shí)間tgd與最大門(mén)極電流iGM之間的典型關(guān)系曲線(xiàn)

 

a.最大值 b.典型值

 

■  3.4.1.2.1 門(mén)極控制延遲時(shí)間tgd

 

tgd是指從門(mén)極電流達到其最大值

 

IGM的10%時(shí)起，到陽(yáng)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(shí)間（見(jiàn)圖21）。

 

門(mén)極控制延遲時(shí)間隨著(zhù)門(mén)極電流（對于LTTs為光功率）的增加而顯著(zhù)減?。ㄒ?jiàn)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(mén)極結構附近的一小塊陰極區域就開(kāi)始傳導通態(tài)電流。然后此導電區域向外擴散，擴散速度通常為0.1mm/μs，具體取決于電流密度。因此系統的載流能力最初是有限的。但是，如果不超過(guò)數據手冊中規定的臨界電流轉換速率值，晶閘管就不會(huì )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(mén)極得到分散（指條結構）。因此，這些類(lèi)型表現出更高的(di/dt)cr。

 

根據DIN IEC 60747-6，臨界電流上升時(shí)間(di/dt)cr與阻尼正弦半波期間加載的通態(tài)電流有關(guān)。它被定義為在以下條件下，穿過(guò)上升通態(tài)電流10%和50%這兩個(gè)點(diǎn)的直線(xiàn)的角度（見(jiàn)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(jiàn)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(kāi)通電流IT(RC)M

 

IT(RC)M是指以某個(gè)不確定上升率開(kāi)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(kāi)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(mén)...1N或T...3N的元件

 

IT(RC)M=150A

對于超過(guò)60Hz的應用，須減小臨界電流上升時(shí)間(di/dt)cr和重復開(kāi)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區間內幾乎呈線(xiàn)性，此時(shí)晶閘管不會(huì )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(kāi)始，到63%結束的線(xiàn)，并且與指數函數相交。

 

它適用于觸發(fā)電路開(kāi)路和最高允許結溫。超過(guò)(dv/dt)cr可能導致器件損壞。

 

例外：除過(guò)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(shí)，此功能可使晶閘管在整個(gè)門(mén)極結構上安全觸發(fā)。

 

3.4.2 關(guān)斷

 

通常通過(guò)施加反向電壓來(lái)啟動(dòng)關(guān)斷功能。晶閘管或二極管的負載電流不會(huì )在過(guò)零時(shí)停止，而是作為反向恢復電流繼續沿反向流動(dòng)，直到載流子離開(kāi)結區。

 

軟度系數FRRS描述的是關(guān)斷過(guò)程中電流上升率的關(guān)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(zhù)結溫、通態(tài)電流幅值和下降時(shí)間的增大而增大。除非另有說(shuō)明，否則規定值僅在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(mén)...1N、T...3N和D...1N的元件，數據手冊中規定的值為最大值，該值在生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)過(guò)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(jiàn)圖24和圖25）。

 

圖23.晶閘管和二極管的關(guān)斷過(guò)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(guān)系曲線(xiàn)

 

圖25.歸一化到Qr(di/dt=10A/μs)的恢復電荷Qr與di/dt的典型關(guān)系曲線(xiàn)

 

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(guān)系曲線(xiàn)和工作條件也適用。如果圖中未顯示IRM，可通過(guò)以下公式大致確定IRM的值：

 

 

 

對于型號命名為T(mén)...1N、T...3N和D...1N的元件，數據手冊中規定的值為最大值，該值在生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)過(guò)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(jiàn)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(guān)系曲線(xiàn)

 

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(guān)系曲線(xiàn)

 

3.4.2.3  反向恢復時(shí)間trr

 

trr是指從電流過(guò)零時(shí)起，到穿過(guò)反向衰減恢復電流的90%和25%這兩個(gè)點(diǎn)的直線(xiàn)過(guò)零時(shí)的時(shí)間間隔（見(jiàn)圖23）。如果沒(méi)有規定trr，可通過(guò)以下公式大致計算該值：

 

 

3.4.2.4  關(guān)斷時(shí)間tq

 

tq是指從反向換向的電流過(guò)零時(shí)起，到重新施加的正向斷態(tài)電壓不會(huì )在沒(méi)有控制脈沖的情況下使晶閘管開(kāi)通時(shí)的時(shí)間間隔。

 

重新產(chǎn)生正向斷態(tài)電壓前在應用中實(shí)現的實(shí)際脈沖時(shí)間被稱(chēng)為延遲時(shí)間。此時(shí)間必須始終比關(guān)斷時(shí)間長(cháng)。關(guān)斷時(shí)間主要隨通態(tài)電流的下降時(shí)間、正向斷態(tài)電壓的上升率及結溫而變（見(jiàn)圖29到圖31）。為了確定tq，所選的正向電流持續時(shí)間tp必須足夠長(cháng)，使晶閘管在換向點(diǎn)可以完全開(kāi)通（見(jiàn)圖28）。數據手冊中規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(guān)斷的電流下降率為-di/dt=20A/μs時(shí)，此處的dvD/dt可能有所不同，通過(guò)型號命名中的第5個(gè)字母確定（見(jiàn)章節2.3）。

 

對于相控晶閘管，通常規定的是關(guān)斷時(shí)間的典型值，因為這類(lèi)晶閘管主要用于電網(wǎng)換相變流器。在這些應用中，延遲時(shí)間通常比晶閘管的關(guān)斷時(shí)間長(cháng)得多。如果延遲時(shí)間比關(guān)斷時(shí)間短，晶閘管將在不施加門(mén)極脈沖的情況下，隨著(zhù)正向斷態(tài)電壓上升而再次開(kāi)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（例如續流二極管）一起工作，由于換向電壓較低，必須考慮更長(cháng)的關(guān)斷時(shí)間（通常長(cháng)30%）。此外，在此類(lèi)應用中，應使續流電路的電感最小，否則關(guān)斷時(shí)間可能會(huì )顯著(zhù)增加。

 

圖28.晶閘管的關(guān)斷特性示意圖

 

圖29.歸一化到Tvj max的關(guān)斷時(shí)間tq與結溫Tvj的典型關(guān)系曲線(xiàn)

 

圖30.歸一化到-diT/dtnorm的關(guān)斷時(shí)間tq與關(guān)斷換向下降率-diT/dt的典型關(guān)系曲線(xiàn)

 

圖31.歸一化到dvD/dt=20V/μs的關(guān)斷時(shí)間tq與斷態(tài)電壓上升率dvD/dt的典型關(guān)系曲線(xiàn)

 

 

 

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