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          大功率晶閘管參數解析之正向特性

          作者: 時間:2021-08-13 來源:電子產品世界 收藏


          本文引用地址:http://cafeforensic.com/article/202108/427569.htm

          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(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》。

          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(guī)定條件下的數據分布范圍,可以用作進廠檢驗依據。

          一、正向

          正向斷態(tài)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(tài)電流和正向斷態(tài)電壓的瞬時值。

          圖1. 斷態(tài)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.png

          圖1 斷態(tài)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

          圖2.斷態(tài)電壓定義.png

          圖2 斷態(tài)電壓定義

          ●   正向斷態(tài)電流iD

          iD是晶閘管處于斷態(tài)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(guī)定的。

          正向斷態(tài)電流隨結溫Tvj而變(見圖7)。

          ●   正向斷態(tài)電壓vD

          vD是晶閘管處于斷態(tài)時正向施加于主端子的電壓。

          1.  正向斷態(tài)重復峰值電壓VDRM

          VDRM是在正向斷態(tài)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(jié)3.

          考慮到工作過程中產生的瞬態(tài)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(tài)重復峰值電壓除以一個介于1.5和2.5之間的安全系數。

          電源電壓峰值公式.png

          在瞬態(tài)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(tài)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(tài)重復峰值電壓的瞬態(tài)電壓,則必須提供合適的瞬態(tài)電壓保護網絡(見7.1)。

          2.  正向斷態(tài)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(tài)直流電壓VD(DC)

          VD(DC)是斷態(tài)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(tài)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??蓱筇峁┎煌绷麟妷旱念A期失效率。

          ●   正向轉折電壓V(BO)

          V(BO)是在規(guī)定的門極電流下,晶體管從斷態(tài)轉換到通態(tài)時的正向電壓。

          例外:對于集成了轉折二極管(BOD)的光觸發(fā)晶閘管(LTT),V(BO)是發(fā)生晶閘管保護性觸發(fā)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(fā)晶閘管可能導致器件損壞。

          例外:光觸發(fā)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(tài)所必需的最小通態(tài)電流值。IH隨著結溫的升高而減?。ㄒ妶D9)。

          與規(guī)格相當的電觸發(fā)晶閘管相比,光觸發(fā)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(tài)所需的通態(tài)電流。擎住電流隨門極電流的變化率、峰值、持續(xù)時間以及結溫而變(見圖9)。

          例外:與規(guī)格相當的電觸發(fā)晶閘管相比,光觸發(fā)晶閘管的擎住電流要小得多。

          ●   通態(tài)電流iT,ITAV,ITRMS,iF, IFAV, IFRMS

          通態(tài)電流是晶閘管(iT,ITAV,ITRMS)或二極管(iF, IFAV,IFRMS)處于通態(tài)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)

          1628842319792745.png

          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(tài)電壓vT,vF

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

          ●   通態(tài)特性

          通態(tài)特性是指在規(guī)定結溫下,二極管或處于完全導通狀態(tài)的晶閘管的通態(tài)電流和通態(tài)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(tài)特性的近似,用于計算通態(tài)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??赡苡斜匾鶕谜{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(tài)特性的近似,其描述的大約為統(tǒng)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。

          圖4.通態(tài)特性和其匹配的等值線近似示例.png

          圖4 通態(tài)特性和其匹配的等值線近似示例

          ●   最大平均通態(tài)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(tài)電流的最大允許連續(xù)平均值,是在規(guī)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(tài)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(tài)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(tài)電流的最大允許值。不論是壓接型型還是螺栓型模塊,通態(tài)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(tài)。

          ●   通態(tài)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(tài)電流值。在通態(tài)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(fā)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(tài)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(tài)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(tài)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(tài)電流下工作超前。

          單獨數據手冊中提供的最大通態(tài)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(xù)最大通態(tài)過載電流 ITAVM允許為更大的最大通態(tài)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(fā)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(jié)7.2所述。

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          圖5最大通態(tài)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

          圖6.數個50Hz正弦半波的最大通態(tài)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.png

          圖6 數個50Hz正弦半波的最大通態(tài)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(tài)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(tài)下短路)或在最高允許結溫下的開通狀態(tài)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(tài)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(jié)7.2過流保護)。

          ●   最大額定值∫i2dt

          ∫i2dt是通態(tài)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(tài)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。

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

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



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