大功率二極管晶閘管知識(shí)連載——損耗

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(duì)這類雙極性器件的了解不及對(duì)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)容摘來自英飛凌《雙極性半導(dǎo)體技術(shù)信息》。

3.5 功率耗散（損耗）

對(duì)晶閘管和二極管而言，耗散（或損耗）分為斷態(tài)、通態(tài)、開通和關(guān)斷損耗這幾類。晶閘管還有控制損耗。在規(guī)定冷卻條件下，這些損耗的總和決定了器件的載流能力。

在高達(dá)60Hz的電網(wǎng)頻率下工作且具有適度的動(dòng)態(tài)要求時(shí)，可以僅考慮通態(tài)損耗，因?yàn)槠渌鼡p耗的總和相對(duì)可以忽略不計(jì)。

對(duì)于具有高阻斷電壓(>2200V)或者管芯Ф≥80mm的半導(dǎo)體，即使是在電網(wǎng)頻率下工作，在計(jì)算時(shí)也應(yīng)考慮關(guān)斷損耗。

3.5.1總功率耗散Ptot

Ptot是各項(xiàng)損耗總和的平均值。

3.5.2斷態(tài)損耗PD、PR

PD、PR是斷態(tài)電流和斷態(tài)電壓在正向(PD)斷態(tài)和反向 (PR)斷態(tài)造成的損耗。

3.5.3通態(tài)損耗PT、PF

PT、PF是在僅考慮正向?qū)顟B(tài)的情況下，轉(zhuǎn)化為熱的電能。根據(jù)以下公式，用等效直線的值計(jì)算通態(tài)損耗 PTAV或PFAV的平均值：

PTAV=VT(TO)?ITAV+rT?I2TRMS=VT(TO)?ITAV+rT? I2TAV?F2（晶閘管）

PFAV=VF(TO)?IFAV+rT?I2FRMS=VF(TO)?IFAV+rT? I2FAV?F2（二極管）

有關(guān)波形系數(shù)F，見表1

數(shù)據(jù)手冊(cè)中的圖顯示了各種形狀電流的通態(tài)耗散功率平均值與通態(tài)電流之間的關(guān)系。

可通過以下關(guān)系式，通過更精確的近似計(jì)算通態(tài)電壓，而非用vT0、vF0和rT計(jì)算通態(tài)損耗。

數(shù)據(jù)手冊(cè)中列出了系數(shù)A、B、C和D。

例外：PowerBLOCK模塊型未列出ABCD系數(shù)。

表1.相位角控制對(duì)應(yīng)的波形系數(shù)

3.5.4開關(guān)損耗PTT，PFT+PRQ

PTT、PFT+PRQ是在開通（PTT對(duì)應(yīng)晶閘管，PFT對(duì)應(yīng)二極管）和關(guān)斷(PRQ)時(shí)轉(zhuǎn)化為熱的部分電能。平均開關(guān)損耗隨通態(tài)電流在開通和關(guān)斷時(shí)的上升率和下降率、以及重復(fù)頻率的增加而增加。對(duì)于阻斷電壓≤2200V的中等尺寸晶閘管和二極管以及高達(dá)60Hz電網(wǎng)頻率的應(yīng)用，開關(guān)損耗與通態(tài)損耗相比幾乎可以忽略不計(jì)。

對(duì)于阻斷電壓>2200V的半導(dǎo)體或管芯Ф≥80mm的半導(dǎo)體，即使是在電網(wǎng)頻率下工作，在計(jì)算時(shí)也應(yīng)考慮關(guān)斷損耗（必要時(shí)可應(yīng)要求提供）。

但是二極管的關(guān)斷損耗通常仍可忽略不計(jì)。

3.5.4.1 開通損耗PTT，PFT

PTT、PFT是開通期間超過通態(tài)損耗PT（晶閘管）或 PF（二極管）的耗散功率。它是由載流子存儲(chǔ)效應(yīng)和載流區(qū)域的延遲傳輸造成的。為了能夠以最快開通整個(gè)晶閘管芯片，許多晶閘管均具有觸發(fā)放大功能。此功能包含一個(gè)或幾個(gè)放大門極（=輔助晶閘管）。對(duì)于具有大截面的晶閘管，放大門極為分支結(jié)構(gòu)（手指結(jié)構(gòu)）。此結(jié)構(gòu)可使更大面接的截面在觸發(fā)時(shí)導(dǎo)通，從而減少開通損耗。開通和通態(tài)損耗之和 PTT, PFT+PT, PF對(duì)于功耗計(jì)算非常重要，可通過在開通期間和開通后，用通態(tài)電流和通態(tài)電壓積分得出。

實(shí)際上，開通損耗通常忽略不計(jì)。

3.5.4.2 關(guān)斷損耗PRQ

關(guān)斷損耗是由載流子存儲(chǔ)效應(yīng)造成的。它取決于反向延遲電流，反向斷態(tài)電壓幅值和上升率，因此可能受緩沖電路影響（見圖23）。

時(shí)間tint用于對(duì)關(guān)斷損耗進(jìn)行積分計(jì)算。

關(guān)斷損耗的近似計(jì)算方法如下：

Erq=關(guān)斷損耗能量

f=頻率

Qr=最大恢復(fù)電荷

VR=（反向電壓）換向后的激勵(lì)電壓

3.5.5門極功耗PG

PG是由于門極電流在門極和陰極之間流動(dòng)而轉(zhuǎn)化為熱量的電能。它分為門極峰值功耗PGM（門極電流和門極電壓峰值的乘積）和門極平均功耗PGAV（門極功耗的周期平均值）

文章來源：英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體

審核編輯 黃宇