功率二極管晶閘管載流子存儲效應(yīng)和開關(guān)特性

編者按

功率二極管晶閘管廣泛應(yīng)用于AC/DC變換器、UPS、交流靜態(tài)開關(guān)、SVC和電解氫等場合，但大多數(shù)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(dòng)態(tài)特性，控制特性，保護(hù)以及損耗與熱特性。內(nèi)容摘自英飛凌英文版應(yīng)用指南AN2012-01《雙極性半導(dǎo)體技術(shù)信息》。

3.4

載流子存儲效應(yīng)和開關(guān)特性

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

此外，晶閘管觸發(fā)時(shí)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(guān)損耗必須以熱的形式從半導(dǎo)體中散發(fā)出去。

3.4.1 開通

3.4.1.1 二極管

從非導(dǎo)通或阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)入導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，由于載流子存儲效應(yīng)，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(fù)電壓峰值VFRM

VFRM是正向回復(fù)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(jì)。但是在 di/dt》》1000A/μs的快速開關(guān)（IGBT、GTO和IGCT）自動(dòng)換向變流器中，該值可能達(dá)到幾百伏。雖然正向恢復(fù)電壓僅存在幾微秒，且不會(huì)顯著增大二極管的總損耗，設(shè)計(jì)變流器時(shí)仍需考慮該值對開關(guān)半導(dǎo)體的影響。

針對這些應(yīng)用優(yōu)化的二極管圖表包含了正向恢復(fù)電壓和電流變化率之間的函數(shù)關(guān)系。

■ 3.4.1.1.2 通態(tài)恢復(fù)時(shí)間tfr

根據(jù)DIN IEC 60747-2，tfr是指突然從關(guān)斷狀態(tài)切換為規(guī)定的通態(tài)時(shí)，二極管完全導(dǎo)通且出現(xiàn)靜態(tài)通態(tài)電壓vF所需的時(shí)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(qiáng)度為iGM的門極電流啟動(dòng)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(shí)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(guān)斷負(fù)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）

a.最大值 b.典型值

■ 3.4.1.2.1 門極控制延遲時(shí)間tgd

tgd是指從門極電流達(dá)到其最大值

IGM的10%時(shí)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(shí)間（見圖21）。

門極控制延遲時(shí)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(dǎo)通態(tài)電流。然后此導(dǎo)電區(qū)域向外擴(kuò)散，擴(kuò)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(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(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，穿過上升通態(tài)電流10%和50%這兩個(gè)點(diǎn)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(fù)頻率：f0=50Hz

在單獨(dú)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(fù)開通電流IT（RC）M

IT（RC）M是指以某個(gè)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(fù)開通電流還適用于以下達(dá)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(yīng)用，須減小臨界電流上升時(shí)間（di/dt）cr和重復(fù)開通電流IT（RC）M。應(yīng)要求提供針對特定條件的詳細(xì)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(shí)晶閘管不會(huì)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(dǎo)致器件損壞。

例外：除過壓保護(hù)（BOD）以外，光觸發(fā)晶閘管還集成了dv/dt保護(hù)功能。當(dāng)dv/dt升高時(shí)，此功能可使晶閘管在整個(gè)門極結(jié)構(gòu)上安全觸發(fā)。

3.4.2 關(guān)斷

通常通過施加反向電壓來啟動(dòng)關(guān)斷功能。晶閘管或二極管的負(fù)載電流不會(huì)在過零時(shí)停止，而是作為反向恢復(fù)電流繼續(xù)沿反向流動(dòng)，直到載流子離開結(jié)區(qū)。

軟度系數(shù)FRRS描述的是關(guān)斷過程中電流上升率的關(guān)系。

3.4.2.1 恢復(fù)電荷Qr

Qr是半導(dǎo)體從通態(tài)轉(zhuǎn)換到反向斷態(tài)后流出半導(dǎo)體的電荷總量。該值隨著結(jié)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(shè)計(jì)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(fù)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(guān)斷過程示意圖

圖24.歸一化到Qr（Tvj max）的恢復(fù)電荷Qr與Tvj的典型關(guān)系曲線

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

3.4.2.2 反向恢復(fù)電流峰值IRM

IRM是反向恢復(fù)電流的最大值。Qr的關(guān)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(fù)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(fù)電流峰值IRM與Tvj的典型關(guān)系曲線

圖27.歸一化到IRM（di/dt=10A/μs）的反向恢復(fù)電流峰值IRM與di/dt的典型關(guān)系曲線

3.4.2.3 反向恢復(fù)時(shí)間trr

trr是指從電流過零時(shí)起，到穿過反向衰減恢復(fù)電流的90%和25%這兩個(gè)點(diǎn)的直線過零時(shí)的時(shí)間間隔（見圖23）。如果沒有規(guī)定trr，可通過以下公式大致計(jì)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零時(shí)起，到重新施加的正向斷態(tài)電壓不會(huì)在沒有控制脈沖的情況下使晶閘管開通時(shí)的時(shí)間間隔。

重新產(chǎn)生正向斷態(tài)電壓前在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)的實(shí)際脈沖時(shí)間被稱為延遲時(shí)間。此時(shí)間必須始終比關(guān)斷時(shí)間長。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(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(shí)間tp必須足夠長，使晶閘管在換向點(diǎn)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(qiáng)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，通過型號命名中的第5個(gè)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(guān)斷時(shí)間的典型值，因?yàn)檫@類晶閘管主要用于電網(wǎng)換相變流器。在這些應(yīng)用中，延遲時(shí)間通常比晶閘管的關(guān)斷時(shí)間長得多。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(dǎo)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(guān)斷時(shí)間（通常長30%）。此外，在此類應(yīng)用中，應(yīng)使續(xù)流電路的電感最小，否則關(guān)斷時(shí)間可能會(huì)顯著增加。

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(jié)溫Tvj的典型關(guān)系曲線

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

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