大功率二极管晶闸管知识连载——控制特性

本文转载自：英飞凌工业半导体

功率二极管晶闸管广泛应用于AC/DC变换器，UPS，交流静态开关，SVC和电解氢等场合，但大多数工程师对这类双极性器件的了解不及对IGBT的了解，为此我们组织了6篇连载，包括正向特性，动态特性，控制特性，保护以及损耗与热特性。内容摘来自英飞凌《双极性半导体技术信息》。

3.3 晶闸管的控制性质

3.3.1、正门极控制

3.3.1.1、门级电流iG

iG是流过控制通道的电流（端子G-HK）。

只能在正向断态阶段用脉冲触发晶闸管。

由于晶体管效应，反向断态阶段的正向触发脉冲将导致断态损耗大大增加。这种损耗对功能性有不利影响且可能导致元件损坏。

例外：对于光触发晶体管，允许反向断态阶段的控制脉冲。

3.3.1.2 门极电压VG

VG是施加于门极端子(G)和阴极(K)或辅助阴极(HK)的正向电压。

3.3.1.3 门极触发电流IGT

IGT是使晶闸管触发所需的最小门极电流值。该值取决于主端子之间的电压和结温。在规定的门极触发电流值下，所有规定类型的晶闸管都将被触发。门极触发电流随结温的下降而增大，因此，在25°C时指定该值。

触发脉冲发生器必须安全超过数据手册值IGTmax（另见3.3.1.8）。

例外：对于光触发晶闸管，规定了触发所有规定类型的晶闸管所需的最小光功率。

3.3.1.4 门极触发电压VGT

VGT是指当门极触发电流IGT流过时，门极端子和阴极之间产生的电压。该值取决于主端子之间的电压和结温。在规定的门极触发电压值下，所有规定类型的晶闸管都将被触发。门极触发电压随结温的升高而降低，因此，在25°C时指定该值。当规定负载电流流过时测量VGT。

3.3.1.5 门极不触发电流IGD

IGD是恰好不使晶闸管触发的门极电流值。该值取决于主端子之间的电压和结温。达到规定最大值时，规定类型的晶闸管不触发。门极不触发电流随结温的升高而减小，因此，在Tvj max下指定该值。

3.3.1.6 门极不触发电压VGD

VGD是恰好不使晶闸管触发的门极电压值。该值取决于主端子之间的电压和结温。达到规定最高值时，规定类型的晶闸管不触发。门极不触发电压随结温的升高而降低，因此，在Tvj max下指定该值。

图14.VD=12V时，控制特性 vG=f(iG)的触发区示例

3.3.1.7 控制特性

控制特性显示了某类型晶闸管的输入特性的统计分布极限。输入特性的统计分布图中详细显示了依赖温度的触发区和最大允许门极功率耗散曲线PGM(a-20W/10ms, b-40W/1ms,c-60W/0.5ms)。

3.3.1.8 控制电路

在常规应用中，应根据控制数据设计控制电路，本文详细描述了控制数据与通态电流临界上升时间、门极控制延迟时间和擎住电流的关系（见图15）。

3.3.1.3和3.3.1.4提供的最小控制数据仅对在电流临界上升时间和门极控制时间方面的要求较低的应用有效。实际上，使数据手册中规定的IGT过激励4至5倍可确保安全操作，即使是在对电流上升时间和门极控制延迟时间有较高要求的情况下。相关术语的含义如下：

diG/dt=门极电流转换速率

iGM=门极峰值电流

tG=触发脉冲的持续时间

VL=控制电路的开路电压

随着通态电流diT/dt和来自缓冲电路的重复开通电流 IT(RC)M的转换速率的升高，应注意负载电路对门极电流iG的影响（见3.4.1.2和图21）。

图15.晶闸管触发电路设计

在晶闸管的开通过程中，最初只有管芯门极区域附近的一小块区域导通，从而导致高电流密度及电压升高。由于内耦合，这种电压还出现在控制端子，因此致使门极触发电流适度下降。为了避免晶闸管可能受损，iG不得下降到门极触发电流IGT以下。为了防止门极脉冲过度下降，可能有必要通过提高触发电路的开路电压VC进行补偿。对于并联或串联连接的晶闸管，为了达到同样的开通效果，有必要采用急升同步高脉冲。另见门极控制延迟时间值的分布(3.4.1.2.1)。

例外：为了控制光触发晶闸管，要求激光二极管在900至1000nm区域内发光。规定的光功率PL最小值和规定的开通电压可确保晶闸管的安全触发。光功率是在光缆输出端确定的。即使对于开通，也建议过激励，尤其是对具有高di/dt要求的串联或并联连接。

英飞凌建议使激光二极管SPL PL90对准合适配件后使用(见图16)，英飞凌将激光二极管、对准配件和光缆一起作为辅助器件提供。

图16.带光缆的LTT

激光二极管SPL PL 90符合下列激光类别：如果激光二极管的末端为光缆，控制系统则符合第1类激光。无操作危险。

如果开放操作激光二极管或光缆断裂，控制系统则为 IEC 60825-1所述的第3b类激光。此时由于不可见的辐射，存在操作危险。须避免直接或间接接触眼睛或皮肤。

图17.激光二极管SPL PL 90的光功率与控制电流间的典型关系曲线

为了控制光触发晶闸管，我们建议对激光二极管SPL PL90施加电流脉冲，如图18所示。二极管SPL PL90不适合长时间控制，因此我们建议用6kHz左右的频率和图18所示的脉冲控制激光二极管。

图18.建议对激光二极管SPL PL 90施加的电流脉冲

3.3.1.9 触发脉冲tgmin的最短持续时间

至少应在超过晶闸管的擎住电流(3.1.6)以后施加触发脉冲，否则晶闸管将返回到断态。触发脉冲结束前，晶闸管的门极触发电流必须至少保持在额定值。

对于具有极短电流上升时间或低负载电流的应用，通常使用具有多脉冲（例如重复频率为6kHz）的触发曲线。

对于光触发晶闸管，在使用多脉冲时确保激光二极管的温度在允许范围内。电流控制的激光二极管的光功率随温度的升高而下降。

3.3.1.10 最大允许峰值触发电流

对于具有高上升率的应用，电流iGT的过激励程度可能比3.3.1.8所述的更高。对于这种情况，应在tG=10至20μs的时间内使门极电流增大至IGT的8至10倍，然后减小波幅并维持足够时间tG。为了确保高惰性门极电流，触发电路的开路电压至少应为30V。

图19.门极触发电流的安全过激励

审核编辑：汤梓红