VDSM;VRSM
这里VDSM和VRSM表示在正向和反向最大的浪涌电压,也即这些电压的额定值代表晶闸管能承受宽度tp=10ms或者少于10ms的不重复瞬态脉冲电压能力。
例如:
这些电压是由外来的开关过电压或者是由闪电脉冲所产生的,因为由这些电压可引起误触发(正向)和严重的降低器件的阻断特性,甚至使在两个方向均造成永久性损坏。
频率1Hz,底宽10ms的条件是ZESEM的器件出厂测量条件,在这里要强调的是浪涌电流的通过能力,即在两次浪涌脉冲之间的时间必须足够长(200ms以上),以确保晶闸管从浪涌应力中完全恢复过来(热应力)。
从图3-2我们可以看出晶闸管在运行过程中会承受各种过电压,下面我们对器件电压选择准则作一个简要的介绍。
大家知道在器件的应用中要确切的知道器件承受的VDS和VRS的幅值常常是非常困难的,有时甚至是不可能的。
这主要是由于它们与输入电压的质量有关。
输入电压的质量它强烈地依赖于地域、环境和每天工作的时间,为此我们推荐如下的设计规则。
若:
输入电压有效值为Vi(RMS)则其峰值为
VDRM;VRRM
VDRM,VRRM表示晶闸管在正向和反向承受的最大重复电压,当电源频率为50Hz(或60Hz),10ms(或少于10ms)的正弦电压脉冲时晶闸管能够阻断这样级别的电压。
在工作时不能超过这些额定值,因为一旦超过,将使器件漏电流和功耗急剧地增加而导致器件超出最大允许结温,随之使器件阻断能力变得不稳定,甚至造成器件永久损害。
IDSM;IRSM
当在器件上施加VDRM/VRRM时,IDRM/IRRM是规定的最大漏电流,一旦器件的漏电流超过此最大值,则无论器件上施加的电压是否达到VDRM/VRRM,均被箝位在当前值,IDRM/IRRM值的测量是在Tc=125℃和tp=10ms条件下获得的,当结温较低时,其IDRM/IRRM值较小。
参看曲线3-1。
断态电压临界上升率dv/dtcrit
在晶闸管阻断状态期间,当施加一个指数电压尖峰波形时晶闸管允许的最大阻断电压上升率。
dv/dtcrit用下面图形进行定义
当超过dv/dtcrit时可以导致晶闸管的非受控触发,这种情况可能导致晶闸管的损坏。
dv/dt的触发在大多数情况下发生在硅晶片的局部,即门极结构的外面,由于是在门极结构的外面局部触发,形成局部电流,这可导致硅晶片上的热熔点。
下面我们介绍KPB2500-36器件的机械数据。
F
这里的F是一个使器件能获得良好的电和热接触所必需的安装力,非常重要的一点是F的值必须持续、恒久的保持在最小值和最大值之间,以使器件受到恒定的夹紧力,保证器件因功耗而产生的热量能被传走。
一旦施加给器件的力超过F值,它将使硅晶片上机械应力增加,甚至使得硅晶片出现裂纹。
大家知道器件的安装除了正确的安装力之外,仍需使其压力均匀的分布在接触面上,因为不均匀的压力可使管壳的铜极产生塑料变形,使器件硅晶片的局部产生机械应力造成器件性能降级或者器件损坏。
特别提示:
当对器件进行检查时,如果没有外力施加于器件两端,器件不能形成良好的接触,这时就不可能正确的对器件进行阻断特性和门极特性的检查,TEG的器件最小的检查压力大约在1kN。
下面我们介绍KPB2500-36器件的通态特性
IT(AVM);IT(RMS)
最大平均和均方根电流,其值可用下式进行计算:
将壳温固定在某一个确定值(例如70℃),则这里IT(AVM)和IT(RMS)是使器件加热到最大结温(如125℃)时的正弦半波通态电流的平均值和有效值,可用它来对不同产品的通态性能进行比较,因为壳温对电流额定值影响非常大。
对器件壳温作不同的规定,能获得器件不同的平均电流值。
P=(TJM-TC)/Rth(J-C)对任意一种器件,其Rth(J-C)是一定的,最高结温也不能超过规定的上限值,当TC降低时,功率增大,其平均电流自然也就能增大。
在工程应用中通常我们可以利用VT0,rT来计算IT(AV)和IT(RMS)值。
ITSM:
ITSM是tp=10ms时的最大不重复浪涌电流值,注意它是最大值,即:
晶闸管在额定通态电流满负载时施加的一个瞬时值,因此,晶闸管在浪涌过程中其结温将超过Tvjmax=125℃范围,也就是说此时晶闸管的结被加热到它的额定最高结温之上的某一个程度,这时晶闸管不再能够阻断额定电压,即ITSM是器件在VD=VR≈0条件下的测试值。
虽然单次浪涌对硅单晶片不会造成任何致命的损害,但由于其浪涌期间Tvj超过Tvjmax,因此它发生的次数不能太多,否则将对器件造成永久损害。
I2t
按下面公式计算获得的。
这里:
tp:
浪涌脉冲电流的宽度,秒
ITSM:
浪涌脉冲电流,安培
被保护器件的最大I2t值。
VT;rT
我们可以很方便的由V(T0)和rT来确定其通态特性
即:
VT(IT)=VT0+rTIT
用上述方程获得的近似通态特性其精度足以满足工程应用的需求。
IH
在样本手册中给出器件25℃温度下的维持电流最大值,其值与应用条件密切相
关,这里仅仅给出一个可选的范围值,通常我们这样定义维持电流(见图3-4):
假设
晶闸管在其门极电流被撤去后仍能维持导通,但此时若将阳极电流以非常小的速率
(di/dt≤1A/μs)减小,如果阳极电流减小到某一个确切的电流值时它突然跌落到零,
使器件恢复到阻断状态,此时我们将这个电流称之为维持电流。
IL
在样本手册中给出器件25℃温度下的最大值,其定义如下:
擎住电流是晶闸管的门极触发过程已经开始,并移去门极信号,需要维持晶闸管在它的导通状态的最小阳极电流。
若此时刻的IT低于IL,则IT将跌落到零,晶闸管将重新恢复其阻断状态(见图3-4)。
擎住电流和维持电流的定义如图3-4所示
图中:
a)在t1时刻IT>IL,阳极电流IT被擎住;
b)ITc)相应的门极电流
维持电流和擎住电流的异同:
相同点:
IH和IL都是维持通态的最小主电流;
两者都规定为晶闸管的直流参数,测试条件也有些相同,如温度(25℃)断态电压(12V
或6V)和门极电路条件。
不同点:
器件状态变化过程不同,IH是由通态(大电流)到断态,IL是由断态到通态;
IL要求器件一进入通态,即移除触发信号,而IH与触发信号无关;
IH规定为上、下限值,而IL仅规定为上限值,二者上限值比较,通常IL为IH的2倍或更大;
IH有时给出高温(Tjmax)值,IL仅有25℃的值;
晶闸管的开关特性
di/dtcrit
在这里给出了器件可以连续运行的通态电流临界上升率,在本参数的条件中,门极脉冲电流的上升时间tr和门极脉冲电流的峰值IG是非常重要的,因为前沿陡直(diG/dt≥2A/μs)且具有恰当峰值的门极脉冲电流,能使晶闸管均匀地和安全地触发
导通。
但如果这个值太低且上升平缓,它造成晶闸管的局部触发,局部触发将造成门极或放大门极结构损坏,进而使器件失效。
td
延迟时间td它是这样定义的:
10%峰值门极电流IG和90%阳极电压之间的时间间隔(见图3-5),从图3-4我们可看到陡直的初始门极脉冲可使门极延迟时间缩短,这一点在晶闸管的串联应用工况显得特别重要,因为它可使串联运行的晶闸管开通尽量保持一致。
tq
电路换向关断时间tq是这样来定义的:
晶闸管阳极电流过零和可能施加阳极电压给晶闸管瞬间的时间间隔,具体波形如图3-5所示,数据手册里提供的tq是最大值,若超过它,一旦电路条件合适,可能发生晶闸管不可控触发(图3-5)甚至损害晶闸管。
如果应用条件不满足本数据表中条件时,其tq值也不一样,下面给出不同情况时的tq比值。
若需要较小tq值的器件,TEG亦能满足要求。
若需要较小tq值的器件,TEG亦能提供满足要求的器件。
这里:
tH是由应用电路提供的一个换相裕量时间,从波形图上可看出,陡直的阳极电压波形表示晶闸管已成功关断,能承受正常的阻断电压,即当tH>关断时间tq的最大额定值时晶闸管能够阻断正向阳极电压,但如果tHQr
恢复特性是这样定义的:
在反向恢复时间内电流IR曲线所包围的面积,其波形如图3-6所示。
Qr的值即图中阴影部分的面积。
晶闸管门极触发特性:
VGT;IGT
门极触发电压和电流,它是触发晶闸管所必需的最小门极电压/电流,这二个参数是晶闸管的阳极电压为12V,Tc=25℃条件下测量的,特别注意的是这二个参数仅仅是使晶闸管能触发的参数值,并不能认为它就是晶闸管能在高电压大电流工况下安全、可靠运行的触发条件。
VGD;IGD
门极不触发电压和电流,它是这样定义的:
为避免晶闸管误触发的最大允许门极电压/电流,它是在Tc=125℃和VD=0.4VDRM条件下进行测量的,降低阳极电压和增加结温其值增加,当晶闸管运行在强电磁干扰环境时,这二个参数是特别重要的,因为一旦干扰信号超过这个值,这不仅会引起晶闸管误触发,导致换流不正常,而且会由于晶闸管局部触发(干扰信号虽说大于VGD,IGD,但仍远小于正常工作时的触发信号)损坏放大门极结构而造成晶闸管损害。
通常我们可以采用门极信号滤波器的方法,降低干扰信号,使不大于VGD/IGD。
VFGM
门极正向峰值电压,如果我们对晶闸管施加一个上升时间短,且幅值高的门极脉冲,使之触发导通,而导通时阳极电流的上升率很高(具有高的di/dt),这时可能瞬时的在晶闸管门-阴极间产生这个电压VFGM。
IFGM
它表明晶闸管的门极接触点的电流通过能力,它是持续时间小于100μs的脉冲最大值,如果门极是直流时,IFGM则必须减小,门极功率不超过最大连续门极功率损耗为宜。
VRGM
反向门极峰值电压,它受最大反向门极功耗限制。
PG
门极平均功率:
这是晶闸管在门极区域可承受的最大连续门极功率,对脉冲信号而言,这个值较高。
晶闸管的热特性:
Tvjmax
受阻断能力限制的最高工作结温,在工作时,若设计工作温度超过它,漏电流剧增,而使得器件的阻断能力不稳定。
在设计变流器时,应对最高结温留有10~15℃的安全裕量(甚至可多于15℃)。
存贮温度
存贮温度范围,推荐的最高存贮温度为150℃,即晶闸管器件中所有材料不被损坏所能承受的最高温度,大家知道,晶闸管芯片封装在其管壳里时其内部充有保护性气体,当器件没有被压装好或夹持住时,如果此时器件的温度超过150℃,器件内部的气体受热膨胀,其压力超过环境压力时,将使得管壳的铜极向外鼓凸,使其内部的芯片变成自由状态(轻轻摇晃,可听到响声),此时必须特别注意器件不能再遭受机械振动或冲击。
Rthjc;Rthcs
这二个数据是结—壳热阻和接触热阻,它是在满足下述条件时进行测量的。
1.安装力满足器件机械数据特性值范围。
2.安装力均匀地分布在器件的整个接触面上。
3.散热器表面、晶闸管台面粗糙度≤1μm,不平整度≤15μm。
4.保护接触面传热良好。
瞬态热阻抗方程式
图3-7所提供的曲线是在双面冷却条件,且将其附加热阻(0.8~2k/kW)加到Rthjc之后获得的,从图3-7可知,稳态Zthjc等于Rthjc,通常我们用Zthjc来计算不同功耗时的温度,但这个温度随时间变化。
晶闸管热特性数据表上标出的是器件直流稳态值,但当器件工作在180°导通正弦波和梯形波时,器件结温会随电流脉冲的变化而发生一定的变化,这主要是由于器件在360℃范围内有180°未导电,此时器件被冷却,这种工况我们可以用一个等效热阻Rthjc来表述结温的波动Tvj,因此结温Tvj的峰值由下述计算。
Tvj峰值=PAV(Rthjc+Rthjc)+Tc
这里:
PAV=平均功率
图3-7给出f=50Hz或60Hz时,典型电流波形的Rthjc值,Rthjc随频率的增高
而减小,当f>200Hz时,可以忽略Rthjc。
图3-8给出了在标称电流范围内由VT0和rT线性近似的器件通态特性。
特别注意:
给出在器件数据表里的VTM值应该是晶闸管在整个结面积上全导通后的值,整个结面积的全导通时间取决于电流波形和晶闸管结构,相控晶闸管的这个时间通常在100μs~几个毫秒之间。
功率损耗和最大壳温关系:
图3-9通态功率(PT)~平均通态电流(ITAV)
注意:
我们在确定这些曲线时,不考虑开通和关断损耗,仅作通态功耗考虑。
从图3-9我们可以看出在典型电流波形时,通态功率损耗PT是通态平均电流ITAV的函数曲线。
这样的话,我们可以用PT数值以及器件应用时给出的最大环境温度和从下面的图3-10中查找出最大器件壳温来计算可选用的散热器的热阻。
从图3-10我们可以看出器件在典型电流波形时的最大允许壳温Tc和通态平均电流ITAV的关系。
曲线是在下面条件下的计算获得的:
规定电流波形的热阻,双面冷却和Tvj=125℃。
通常相控晶闸管工作在50Hz或60Hz环境下,故在这里我们不考虑开通和关断损耗。
即——这两组曲线是在忽略开通和关断损耗情况下获得的。
这二组曲线可用于正弦半波、不重复浪涌电流脉冲,其浪涌电流曲线是在Tvj=125℃,f=50Hz,tp=10ms的严酷条件下进行的,即曲线合适于f=50Hz,tp=10ms的情况
。
从图3-13可看出晶闸管的触发可分为三个不同的区域,其中B区为不可触发区,C区为可能的触发区,A区为安全触发区,C区部分主要是受器件门极特性的分散性和结温的影响而形成的。
对直流门极电流,器件的门极最大功率是4W。