功率二極管晶閘管廣泛應用於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，控製特性
，保護以及損耗與熱特性。

 

電氣特性

二(er)極(ji)管(guan)和(he)晶(jing)閘(zha)管(guan)的(de)電(dian)氣(qi)特(te)性(xing)隨(sui)溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)而(er)變(bian)化(hua)，因(yin)此(ci)隻(zhi)有(you)針(zhen)對(dui)特(te)定(ding)溫(wen)度(du)給(gei)出(chu)的(de)電(dian)氣(qi)特(te)性(xing)才(cai)是(shi)有(you)效(xiao)的(de)。除(chu)非(fei)另(ling)有(you)說(shuo)明(ming)
，否(fou)則(ze)數(shu)據(ju)手(shou)冊(ce)中(zhong)的(de)所(suo)有(you)值(zhi)均(jun)適(shi)用(yong)於(yu)40至60Hz的電源頻率。

 

最(zui)大(da)值(zhi)為(wei)製(zhi)造(zao)商(shang)以(yi)絕(jue)對(dui)極(ji)限(xian)值(zhi)形(xing)式(shi)給(gei)出(chu)的(de)值(zhi)，通(tong)常(chang)即(ji)使(shi)在(zai)短(duan)時(shi)間(jian)內(nei)也(ye)不(bu)可(ke)超(chao)過(guo)此(ci)值(zhi)
，否(fou)則(ze)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)元(yuan)件(jian)功(gong)能(neng)下(xia)降(jiang)或(huo)損(sun)壞(huai)。特(te)征(zheng)值(zhi)為(wei)規(gui)定(ding)條(tiao)件(jian)下(xia)的(de)數(shu)據(ju)分(fen)布(bu)範(fan)圍(wei)，可(ke)以(yi)用(yong)作(zuo)進(jin)廠(chang)檢(jian)驗(yan)依(yi)據(ju)。

 

一
、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。

 

 

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

 

圖2.斷態電壓定義

 

 ●正向斷態電流iD

 

iD是晶閘管處於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是晶閘管處於斷態時正向施加於主端子的電壓。

 

 1.  正向斷態重複峰值電壓VDRM

 

VDRM是在正向斷態條件下，所有重複峰值電壓中的最大重複電壓值。

 

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於最高額定斷態重複峰值電壓除以一個介於1.5和2.5之間的安全係數。

 

 

 

在zai瞬shun態tai電dian壓ya已yi知zhi的de情qing況kuang下xia通tong常chang采cai用yong較jiao低di安an全quan係xi數shu。這zhe類lei情qing況kuang通tong常chang是shi具ju有you大da儲chu能neng的de自zi動dong換huan向xiang變bian流liu器qi。對dui於yu電dian網wang提ti供gong的de瞬shun態tai水shui平ping未wei知zhi的de變bian流liu器qi

，首shou選xuan2.0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複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.  正向斷態不重複峰值電壓VDSM

 

VDSM是施加在晶閘管上的正向電壓中的最高額定不重複峰值，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。對於本文所述的半導體，該值大約是一半的斷態重複峰值電壓。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：對於集成了轉折二極管(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。用高於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是指門極電流衰減後，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)處於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）

 

 

圖3：歸一化的擎住電流IL和維持電流IH的典型關係曲線

 

 ●通態電壓vT
，vF

 

vT、vF是在規定的通態電流下施加於主端子的電壓。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於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，二極管或處於完全導通狀態的晶閘管的通態電流和通態電壓之間的關係。

 

 ●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，用於計算通態功率耗散。

 

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(shi)由(you)等(deng)值(zhi)線(xian)的(de)上(shang)升(sheng)率(lv)計(ji)算(suan)而(er)來(lai)的(de)。可(ke)能(neng)有(you)必(bi)要(yao)根(gen)據(ju)應(ying)用(yong)調(tiao)整(zheng)數(shu)據(ju)手(shou)冊(ce)中(zhong)顯(xian)示(shi)的(de)等(deng)值(zhi)線(xian)，具(ju)體(ti)取(qu)決(jue)於(yu)冷(leng)卻(que)情(qing)況(kuang)。因(yin)此(ci)

，在(zai)某(mou)些(xie)數(shu)據(ju)手(shou)冊(ce)中(zhong)，VT(TO)、VF(TO)和rT可能存在額外的低水平值。

 

對於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。

 

 

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ju有you低di阻zu斷duan電dian壓ya的de晶jing閘zha管guan或huo二er極ji管guan的de數shu據ju手shou冊ce中zhong提ti供gong了le一yi張zhang圖tu，此ci圖tu顯xian示shi了le各ge種zhong電dian流liu導dao通tong角jiao對dui應ying的de最zui大da平ping均jun通tong態tai電dian流liu和he最zui高gao允yun許xu管guan殼ke溫wen度duTC。

 

此圖隻考慮了導通損耗。對於具有高阻電壓(>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。

 

對於具有極高阻斷電壓(>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)處於最佳冷卻狀態。

 

 ●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製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。對於具有極高阻斷電壓 (>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(bu)被(bei)損(sun)壞(huai)而(er)必(bi)須(xu)關(guan)斷(duan)器(qi)件(jian)時(shi)的(de)通(tong)態(tai)電(dian)流(liu)值(zhi)。這(zhe)些(xie)值(zhi)專(zhuan)用(yong)於(yu)設(she)計(ji)保(bao)護(hu)網(wang)絡(luo)。流(liu)經(jing)晶(jing)閘(zha)管(guan)的(de)電(dian)流(liu)達(da)到(dao)該(gai)值(zhi)時(shi)，晶(jing)閘(zha)管(guan)可(ke)能(neng)暫(zan)時(shi)失(shi)去(qu)正(zheng)向(xiang)阻(zu)斷(duan)能(neng)力(li)和(he)可(ke)控(kong)性(xing)。

 

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於反向重複峰值電壓的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。對於具有極高阻斷電壓 (>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。

 

 

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

 

 

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

 

 ●通態浪湧電流ITSM、IFSM

 

ITSM
、IFSM是指在25°C的條件下（相當於在無負載狀態下短路）或在最高允許結溫下的開通狀態下（相當於在永久加載最大允許電流後短路），一個 50Hz正zheng弦xian半ban波bo電dian流liu脈mai衝chong的de最zui大da允yun許xu峰feng值zhi。當dang半ban導dao體ti承cheng受shou通tong態tai浪lang湧yong電dian流liu時shi，器qi件jian失shi去qu阻zu斷duan能neng力li。因yin此ci
，隨sui後hou不bu得de施shi加jia負fu向xiang電dian壓ya。如ru果guo結jie溫wen已yi回hui落luo至zhi允yun許xu的de工gong作zuo溫wen度du範fan圍wei內nei，則ze在zai故gu障zhang情qing況kuang中zhong這zhe種zhong應ying力li可ke能neng以yi一yi種zhong非fei周zhou期qi性xing方fang式shi重zhong複fu出chu現xian。

 

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是通態浪湧電流的平方對時間的積分。

 

最大額定∫i²dt值可用於確定短路保護（見7.2）。

 

對於周期短於10ms的正弦半波，最大額定∫i²dt值如圖13suoshi。dianyayinglihezhongfuxingtongyangshiyongyutongtailangyongdianliu。chaoguozuidayunxuzhishi，qijiankenengsunhuai。ciwai，youqishiduidazhijingjingzhaguaneryan，budechaoguoyunxudelinjiekaitongdianliubianhualv(di/dt)cr。

 

 

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

（內容摘自英飛淩英文版應用指南AN2012-01《雙極性半導體技術信息》。）