【導(dǎo)讀】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(kāi)關(guān),SVC和電解氫等場(chǎng)合,但大多數(shù)工程師對(duì)這類(lèi)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(lái)自英飛凌《雙極性半導(dǎo)體技術(shù)信息》。
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(kāi)關(guān),SVC和電解氫等場(chǎng)合,但大多數(shù)工程師對(duì)這類(lèi)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(lái)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(kāi)通和關(guān)斷損耗這幾類(lèi)。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?xún)H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(xiàn)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(jiàn)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(guò)以下關(guān)系式,通過(guò)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)。
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(kāi)關(guān)損耗PTT,PFT+PRQ
PTT、PFT+PRQ是在開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗隨通態(tài)電流在開(kāi)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(kāi)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(kāi)通損耗PTT,PFT
PTT、PFT是開(kāi)通期間超過(guò)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(kāi)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(mén)極(=輔助晶閘管)。對(duì)于具有大截面的晶閘管,放大門(mén)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(kāi)通損耗。開(kāi)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(guò)在開(kāi)通期間和開(kāi)通后,用通態(tài)電流和通態(tài)電壓積分得出。
實(shí)際上,開(kāi)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(jiàn)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(mén)極功耗PG
PG是由于門(mén)極電流在門(mén)極和陰極之間流動(dòng)而轉(zhuǎn)化為熱量的電能。它分為門(mén)極峰值功耗PGM(門(mén)極電流和門(mén)極電壓峰值的乘積)和門(mén)極平均功耗PGAV(門(mén)極功耗的周期平均值)
(來(lái)源: 英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體)
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