大功率二極管晶閘管知識連載——損耗

英飛凌工業半導體 2023-11-27 11:04 249 閱讀 1 贊 3 收藏 1 評論

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，控制特性，保護以及損耗與熱特性。內容摘來自英飛凌《雙極性半導體技術信息》。

3.5 功率耗散（損耗）

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

在高達60Hz的電網頻率下工作且具有適度的動態要求時，可以僅考慮通態損耗，因為其它損耗的總和相對可以忽略不計。

對于具有高阻斷電壓(>2200V)或者管芯Ф≥80mm的半導體，即使是在電網頻率下工作，在計算時也應考慮關斷損耗。

3.5.1 總功率耗散Ptot

Ptot是各項損耗總和的平均值。

3.5.2 斷態損耗PD、PR

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

3.5.3 通態損耗PT、PF

PT、PF是在僅考慮正向導通狀態的情況下，轉化為熱的電能。根據以下公式，用等效直線的值計算通態損耗 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）

有關波形系數F，見表1

數據手冊中的圖顯示了各種形狀電流的通態耗散功率平均值與通態電流之間的關系。

可通過以下關系式，通過更精確的近似計算通態電壓，而非用vT0、vF0和rT計算通態損耗。

數據手冊中列出了系數A、B、C和D。

例外：PowerBLOCK模塊型未列出ABCD系數。

表1.相位角控制對應的波形系數

3.5.4

開關損耗PTT，PFT+PRQ

PTT、PFT+PRQ是在開通（PTT對應晶閘管，PFT對應二極管）和關斷(PRQ)時轉化為熱的部分電能。平均開關損耗隨通態電流在開通和關斷時的上升率和下降率、以及重復頻率的增加而增加。對于阻斷電壓≤2200V的中等尺寸晶閘管和二極管以及高達60Hz電網頻率的應用，開關損耗與通態損耗相比幾乎可以忽略不計。

對于阻斷電壓>2200V的半導體或管芯Ф≥80mm的半導體，即使是在電網頻率下工作，在計算時也應考慮關斷損耗（必要時可應要求提供）。

但是二極管的關斷損耗通常仍可忽略不計。

3.5.4.1 開通損耗PTT，PFT

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