1.对续流和吸收二极管的要求
随着电力电子技术的发展,功率器件的开关速度越来越快,因此,现代的快速开关元件要求采用快速的二极管作为续流二极管。在开关的每一次开通过程中,续流二极管有导通状态变为截止状态。而这一过程要求二极管具有软的恢复特性。然而,让我们难以相信的是在很长一段时间里,我们忽视了快速二极管的作用。因而续流二极管限制了开关元件的功能-限制了开关元件的开关速度。 近些年由于对更高效率的追求,快速二极管的作用受到了高度的重视,通过不断改善它的反向恢复特性而使其性能得到了极大的改善。
2.反向阻断电压和正向峰值压降
由反向阻断电压VR的定义我们可以知道,二极管或晶闸管在该电压下的漏电流不得大于临界值IR。 在大多数的参数表中的器件参数都是温度等于25℃时的数值。当温度降低时反向阻断能力下降。也就是说如果当元件在低于室温的条件下运行时应引起特别的注意。当温度高于室温时,在反向电压相应上升的同时,其漏电流也同时上升。因此我们在参数表中还会给出高温下的漏电流值(125℃)。 值得特别注意的是,对于采用了金扩散工艺的元件来说,在高温下它们的漏电流上升得特别快。 因此,如果系统由于元件的功率损坏而使其工作在环境下,将有可能是系统引发温升失衡而不能正常工作。
正向通态压降VF表示了在给定电流下,二极管在导通状况下的电压降应小于某给定的临界值。一般来说,这个值是在室温下测得的。然而,系统中的元件又是工作在一定的温度下,因此我们必须对元件的高温正向通态压降进行考虑。
3.开通特性
快速二极管在进入导通状态的过程中,电压首先升至VFRM,即可重复的正向峰值电压,然后才降至正向通态压降的水平。图给出了有关VFRM和开通时间tfr的定义。 然而对于像用在GTO和IGBT 中的续流二极管和吸收二极管来说,这个定义存在一定的问题,这是因为: ⑴.在这样的电路中,开通电流的上升率di/dt会很高,通常会达到200V到300V,它将是VF的100倍以上。这对于应用来说是一个非常棘手的事情。
⑵.实际应用过程中,二极管是由截止进入导通状态,由此产生的VFRM 要比由零电压进入导通状态高出许多。当我们对其设计时,必须予以特别关注。 对于吸收二极管来说,因为吸收电路只有在吸收二极管导通之后才能发挥作用,所以较低的VFRM是它的重要指标之一。 对反向阻断电压大于1200V的续流二极管来说,这个可重复的正向峰值电压也由着作用的作用。因为在GTO、IGBT 的关断过程中,线路的寄生电感会产生一个电压尖峰,它叠加在续流二极管的VFRM上,二者之和可能导致过电压而造成元件损坏。
非常重要的是我们必须对电压进行测量,以确定由寄生电感所产生的电压和VFRM的值。
4.关断特性
再二极管由导通进入截止状态的过程中,它内部所存储的电荷必须被释放。这个过程将使二极管的电流反方向流动。内部载流子的复合过程我们可以用反向恢复特性来描述。
图中S代表一个理想的开关,IL为电流源,VK是换流电压源,LK是换流电感。再开关S 闭合后,软恢复二极管的电压和电流曲线如图所示。而图所示则是两个具有刚性开关特性的二极管电流特性曲线。
换流速度di/dt是由电压和电感来决定的di/dt=VK / LK
(1)
在时刻t0,电流达到零点,在时刻tw 时,如同经过开始承受反向电压。此刻,在二极管的pn结内,所有的载流子都得到清除。在时刻tirm 时,反向电流达到最大值IRRM。在tirm 之后,电流逐步衰减至其漏电流值。波形轨迹完全由二极管所决定。如果衰减的过程很陡,我们称之为刚性恢复特性;反之,如果衰减的过程很缓慢,我们则称之为软开关特性。反向恢复时间时这样定义的:从t0 开始到电流衰减到IRRM的10%时的时间。
软度系数S = tf / ts
(2)
根据感应定律,dir/dt决定了所出现的过电压Vind=-LK(dir/dt)max (4)
恢复特性受下列因素的影响:
①.温度:二极管的恢复特性受温度的影响,在大多属地情况下,温度升高对恢复特性有不利的影响。但是有些快速二极管在室温或室温以下时其恢复特性反而较差。
②.外加反向电压:外加反向电压越高,恢复特性越差。
③.换向电流的上升率di/dt:换向电流的上升率di/dt 对恢复特性的影响很大,但不同的二极管呈现出不同的影响,有的二极管随di/dt的增加而变硬,而另一些则变软。
以上所列的这些因素对二极管恢复特性的影响很难用一个简单的、定量的定义来概括。图3 所示的电路和式(2)或(3)所得到的定义只能用来对单个的特性参数的影响进行解释。对反向恢复特性的完整判断应该在接近实际的条件下通过测量获得。
图6 是一个较适用的测量线路。
换向电流的di/dt可由开关元件的栅极电阻来调节。VK 是直流母线电压,在电容、IGBT和二极管之间的连接导线上存在寄生电感。当关断IGBT 时负载电流有IGBT 切换到二极管,其波形如图7、图8所示。
从图8 我们可以看到,恢复电流在到达到最大值IRRM之后,缓慢的衰减到零,因此我们将二极管的反向恢复特性进一步的细分为二个部分:
①.第一部分为电流上升至反向恢复电流的峰值阶段以及随后的按照dir/dt 的速率的下降过程。一般而言,软恢复二极管的dir/dt值和di/dt值差不多,但值得注意的是反向恢复电流的峰值IRRM对开关元件的冲击相当大。
②.第二部分为拖尾电流部分,即trr 时间区间以后的部分,在此期间反向恢复电流衰减至零,trr不再具有明显的意义。因为此时二极管上已具有反向电压,所以二极管内损耗的主要部分产生与拖尾过程。不含拖尾电流的刚性二极管虽然它的开关损耗很低,但实际上它仍无法被应用。这是由于它太大的dir/dt不利于元件的实际应用。就二极管对整体损耗的影响而言,最重要的参数就是它的反向峰值恢复电流IRRM应当尽可能的小。
5.快速二极管的串并联
5.1.串联器件在进行串联应用时,必须注意其静态均压和动态均压。
器件串联应用,在静态时,应用串联的各元件漏电流的不一致,从而使漏电流最小的元件承受最高的电压,甚至达到其额定极限值,因此必须对其进行并联均压电阻。对于n 个二极管的串联电路,我们可以得到一个简化的计算电阻的公式:
上式中:n-串联元件个数;Vr-二极管额定电压;Vm-串联电路中电压的最大;值Ir-运行在最高工作温度时二极管的漏电流偏差值。经验表明,动态均压问题的解决永不同于静态均压问题。如果一个二极管pn 结的载流子消失得比另一个的快,在关断过程中它也更早的承受电压。在n 个给定电压值为Vr 的二极管串联时,我们可以采用一个简化的公式来计算电容:
Q RR-串联元件间反向恢复电荷的最大偏差,当所使用的器件来自于同一个制造批号时,我们可以假 设QRR=0.3 QRR。 器件在串联应用时,只有当各个器件的静态的动态均达到相当理想的的对称均衡状态,才能最大限度地利用串联的各器件额定参数。
5.2.并联
通常在功率器件的并联应用时,首先我们应当考虑均流。在没有特别的均流措施情况下,应使相互并联的器件通态电压的偏差尽量小。 器件通态电压对温度的依赖性,是衡量器件并联应用的一个重要参数。有些种类的器件通态电压呈正温度系数,二有些器件呈负温度系数。当一个器件呈正温度系数时,它更适合并联应用。但因为二极管总是存在一定的偏差,所以在二极管的并联应用中,一个较大的的负温度系数(>2mV/K)则有可能使其运行温度失衡。进而使器件永久失效。
应用设计举例:
例1:控制直流电机需要一个三相晶闸管整流桥,设线电压是Vline = 380V(RMS),50Hz,直流电流输出Id=3600A,晶闸管空气冷却,最高环境温度为TA=40℃,希望的浪涌电流值为ITSM=20kA。选配元件与散热器。
1)电压设计
额定线电压的峰值为:
2)元件和散热器选择
现在我们必须在所有1400V的器件中来选择最适合的,这些器件的主要差异是外形尺寸大小不一和电流等级的不同。
由于Id=3600A,那么每个器件的平均电流值为IT(AV)=1200A。从《大功率半导体器件产品目录》上的“普通晶闸管”系列中查到有以下几种元件可能满足要求,它们分别是:KPA 1400-14、KPX 1900-14和KPB 3000-14。查《大功率半导体器件产品数据手册》,得到的数据如表1所示:
用以上数据计算元件的通态损耗,考虑到其他损耗的存在,取通态损耗值的1.1倍作为元件的总的功率损耗值,再用总的功率损耗值来计算所需散热器的热阻值,所得数据如表2 所示:
例 2: 电机软起动
电机功率P=220kw
电机输入电压 U=380V
三相电源功率计算式P=1.732﹡U﹡I﹡cosα
U和I的值是有效值通常电机起动时取cosα=0.8
每相电流平均值IT(AV)=0.9﹡I
每只元件的电流平均值IT1(AV)=0.45﹡I
起动电流限定为4 倍额定值
器件电压选择原则VDRM/VRRM=(2~3)﹡1.414﹡U
获取电机正常工作和起动工作时的器件电流平均值
选择合适的器件,如KP9 1200-16
计算稳态时器件功耗计算起动时器件功耗
壳温计算:Tj – Tc = PT(AV)Rjc
计算器件稳态时最大壳温TC1
计算器件起动时最大壳温TC2
按壳温TC1 选择稳态时所需散热器
按壳温TC2 选择起动时所需散热器
结温留有20℃裕量要求,环温TA=40℃
计算Rthja折中选择散热器