大功率二極管晶閘管知識連載——控制特性

本文轉載自：英飛凌工業半導體

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》。

3.3 晶閘管的控制性質

3.3.1、正門極控制

3.3.1.1、門級電流iG

iG是流過控制通道的電流（端子G-HK）。

只能在正向斷態階段用脈沖觸發晶閘管。

由于晶體管效應，反向斷態階段的正向觸發脈沖將導致斷態損耗大大增加。這種損耗對功能性有不利影響且可能導致元件損壞。

例外：對于光觸發晶體管，允許反向斷態階段的控制脈沖。

3.3.1.2 門極電壓VG

VG是施加于門極端子(G)和陰極(K)或輔助陰極(HK)的正向電壓。

3.3.1.3 門極觸發電流IGT

IGT是使晶閘管觸發所需的最小門極電流值。該值取決于主端子之間的電壓和結溫。在規定的門極觸發電流值下，所有規定類型的晶閘管都將被觸發。門極觸發電流隨結溫的下降而增大，因此，在25°C時指定該值。

觸發脈沖發生器必須安全超過數據手冊值IGTmax（另見3.3.1.8）。

例外：對于光觸發晶閘管，規定了觸發所有規定類型的晶閘管所需的最小光功率。

3.3.1.4 門極觸發電壓VGT

VGT是指當門極觸發電流IGT流過時，門極端子和陰極之間產生的電壓。該值取決于主端子之間的電壓和結溫。在規定的門極觸發電壓值下，所有規定類型的晶閘管都將被觸發。門極觸發電壓隨結溫的升高而降低，因此，在25°C時指定該值。當規定負載電流流過時測量VGT。

3.3.1.5 門極不觸發電流IGD

IGD是恰好不使晶閘管觸發的門極電流值。該值取決于主端子之間的電壓和結溫。達到規定最大值時，規定類型的晶閘管不觸發。門極不觸發電流隨結溫的升高而減小，因此，在Tvj max下指定該值。

3.3.1.6 門極不觸發電壓VGD

VGD是恰好不使晶閘管觸發的門極電壓值。該值取決于主端子之間的電壓和結溫。達到規定最高值時，規定類型的晶閘管不觸發。門極不觸發電壓隨結溫的升高而降低，因此，在Tvj max下指定該值。

圖14.VD=12V時，控制特性 vG=f(iG)的觸發區示例

3.3.1.7 控制特性

控制特性顯示了某類型晶閘管的輸入特性的統計分布極限。輸入特性的統計分布圖中詳細顯示了依賴溫度的觸發區和最大允許門極功率耗散曲線PGM(a-20W/10ms, b-40W/1ms,c-60W/0.5ms)。

3.3.1.8 控制電路

在常規應用中，應根據控制數據設計控制電路，本文詳細描述了控制數據與通態電流臨界上升時間、門極控制延遲時間和擎住電流的關系（見圖15）。

3.3.1.3和3.3.1.4提供的最小控制數據僅對在電流臨界上升時間和門極控制時間方面的要求較低的應用有效。實際上，使數據手冊中規定的IGT過激勵4至5倍可確保安全操作，即使是在對電流上升時間和門極控制延遲時間有較高要求的情況下。相關術語的含義如下：

diG/dt=門極電流轉換速率

iGM=門極峰值電流

tG=觸發脈沖的持續時間

VL=控制電路的開路電壓

隨著通態電流diT/dt和來自緩沖電路的重復開通電流 IT(RC)M的轉換速率的升高，應注意負載電路對門極電流iG的影響（見3.4.1.2和圖21）。

圖15.晶閘管觸發電路設計

在晶閘管的開通過程中，最初只有管芯門極區域附近的一小塊區域導通，從而導致高電流密度及電壓升高。由于內耦合，這種電壓還出現在控制端子，因此致使門極觸發電流適度下降。為了避免晶閘管可能受損，iG不得下降到門極觸發電流IGT以下。為了防止門極脈沖過度下降，可能有必要通過提高觸發電路的開路電壓VC進行補償。對于并聯或串聯連接的晶閘管，為了達到同樣的開通效果，有必要采用急升同步高脈沖。另見門極控制延遲時間值的分布(3.4.1.2.1)。

例外：為了控制光觸發晶閘管，要求激光二極管在900至1000nm區域內發光。規定的光功率PL最小值和規定的開通電壓可確保晶閘管的安全觸發。光功率是在光纜輸出端確定的。即使對于開通，也建議過激勵，尤其是對具有高di/dt要求的串聯或并聯連接。

英飛凌建議使激光二極管SPL PL90對準合適配件后使用(見圖16)，英飛凌將激光二極管、對準配件和光纜一起作為輔助器件提供。

圖16.帶光纜的LTT

激光二極管SPL PL 90符合下列激光類別：如果激光二極管的末端為光纜，控制系統則符合第1類激光。無操作危險。

如果開放操作激光二極管或光纜斷裂，控制系統則為 IEC 60825-1所述的第3b類激光。此時由于不可見的輻射，存在操作危險。須避免直接或間接接觸眼睛或皮膚。

圖17.激光二極管SPL PL 90的光功率與控制電流間的典型關系曲線

為了控制光觸發晶閘管，我們建議對激光二極管SPL PL90施加電流脈沖，如圖18所示。二極管SPL PL90不適合長時間控制，因此我們建議用6kHz左右的頻率和圖18所示的脈沖控制激光二極管。

圖18.建議對激光二極管SPL PL 90施加的電流脈沖

3.3.1.9 觸發脈沖tgmin的最短持續時間

至少應在超過晶閘管的擎住電流(3.1.6)以后施加觸發脈沖，否則晶閘管將返回到斷態。觸發脈沖結束前，晶閘管的門極觸發電流必須至少保持在額定值。

對于具有極短電流上升時間或低負載電流的應用，通常使用具有多脈沖（例如重復頻率為6kHz）的觸發曲線。

對于光觸發晶閘管，在使用多脈沖時確保激光二極管的溫度在允許范圍內。電流控制的激光二極管的光功率隨溫度的升高而下降。

3.3.1.10 最大允許峰值觸發電流

對于具有高上升率的應用，電流iGT的過激勵程度可能比3.3.1.8所述的更高。對于這種情況，應在tG=10至20μs的時間內使門極電流增大至IGT的8至10倍，然后減小波幅并維持足夠時間tG。為了確保高惰性門極電流，觸發電路的開路電壓至少應為30V。

圖19.門極觸發電流的安全過激勵

審核編輯：湯梓紅