功率晶閘管的熱敏特性研究

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0 引 言

隨著脈沖功率技術的發(fā)展，晶閘管作為閉合開關在該領域也得到廣泛應用。作為核心器件之一，晶閘管的狀態(tài)也直接關系到系統(tǒng)的正常運行[1-3]。微觀研究和實際應用表明[4]，晶閘管的電氣性能、使用壽命等參數(shù)均和其結溫有著很大的關系。因此研究晶閘管各種工況下的結溫不僅有助于優(yōu)化改善晶閘管的性能，而且對提高其可靠性也具有重要的意義。

由于晶閘管不是理想開關，當其被觸發(fā)導通后[5-6]，正向電流會在PN結中產(chǎn)生焦耳熱，并且熱量不會立即傳遞給封裝中的鉬片和銅基座，所以晶閘管的外殼溫度并不等于其結溫。這就導致晶閘管的結溫無法從外部測量。目前，分析和研究其結溫的主要手段有熱阻抗法、有限元分析法、掃描電鏡、紅外光譜法等[2，4]。由于功率晶閘管在測量中存在封裝復雜、額定電流高等實際情況，上述方法都存在一定的局限性。下面討論一種通過功率晶閘管的熱敏參數(shù)來反映結溫的方法。

1 晶閘管的熱敏特性

晶閘管是一種具有3個PN結的功率半導體器件[7-8]，而PN結的很多特性參數(shù)都對溫度敏感，隨著溫度的變化而變化。因此可以通過測量PN結的某些特征參數(shù)和溫度之間的關系來反映PN結的溫度，進而獲得運行狀態(tài)下晶閘管芯片的結溫。

由文獻可知，單個PN結的通態(tài)壓降具有負溫度特性，并且其通態(tài)壓降隨著PN結溫度的升高在一定溫度范圍內呈現(xiàn)線性的下降。單個PN結的正向電流If和通態(tài)電壓Uf具有式(1)所述的關系：

(1)

式中：k為玻爾茲曼常數(shù)，1.380 650 5×10-23J/K；q為電子的電荷量，1.602 192×10-19C。T為熱力學溫度；Uf為通態(tài)壓降；I0為PN結的反向飽和電流。I0的表達式為

(2)

式中：A為一個與溫度無關的常數(shù)；Ug0為半導體材料的禁帶寬度。

將式(2)代入式(1)，兩邊同時取對數(shù)整理可得式(3)。

(3)

式(3)描述了PN結的通態(tài)壓降、正向電流、結溫三者之間的關系。可以看出，當If為恒流時，通態(tài)壓降只與PN結的溫度相關。易知當T=0和T=1時，Unl=0。對Unl表達式求導可得式(4)。

(4)

易知當T=1/e時，Unl存在一個極值點且為極大值。

Unl與T的關系如圖1所示，在圖中的高溫區(qū)和低溫區(qū)，Unl隨T的變化的非線性很強；而在中溫區(qū)兩者則趨向于線性關系。

圖1 硅PN結的典型U-T特性曲線

實際應用中，硅半導體元件的工作極限溫度為473 K，在圖1位于中溫區(qū)，因此可以利用式(3)研究其特性。

2 熱敏特性的測試

設計并搭建了如圖2所示的實驗平臺對功率晶閘管的熱敏特性進行測試。待測功率晶閘管為某型5 in冰球型封裝功率晶閘管，其額定電流為2200 A。測試電流If在取值時既要保證功率晶閘管能夠完全開通，又要盡量減少其自身導致的附加發(fā)熱。根據(jù)文獻[6]可知，當If=20 A時，可認為功率晶閘管芯片已經(jīng)充分導通且遠小于額定電流，因此，平臺中采用了一臺20 A的恒流源提供式中的If。

實驗時，用烘箱將待測功率晶閘管逐級加熱至不同的目標溫度，經(jīng)過足夠長時間達到熱平衡后觸發(fā)功率晶閘管使其導通，測量其在20 A恒定電流下(熱敏電流)的通態(tài)壓降Uf(由圖2中a、b端點引出)。將獲得的通態(tài)壓降與對應溫度關系繪制成曲線，即熱敏特性校準曲線(簡稱熱敏曲線)。

圖2 實驗平臺示意

3 數(shù)據(jù)分析

圖3為本次實驗獲得的某型功率晶閘管的熱敏曲線。

圖3 待測功率晶閘管在20 A時的熱敏曲線

通過圖3可知，該區(qū)間內熱敏曲線的線性度較好，擬合出式(5)。

Tj=ΔUf·M+Tj0==-200ΔUf+531.04

(5)

由式(5)可以通過功率晶閘管的通態(tài)壓降得出該狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)結溫。

4 結 語

對待測功率晶閘管的熱敏特性進行研究，通過設計的試驗平臺對其熱敏性能進行了測試，并繪制出試品在20 A恒定電流時的熱敏特性曲線，擬合出功率晶閘管溫度與通態(tài)壓降的表達式。獲得的實驗趨勢與理論一致，為后期測量功率晶閘管通態(tài)壓降獲得其暫態(tài)結溫打下基礎。

在后續(xù)研究中將通過搭建更大容量的實驗平臺，來測定實際工程中額定工況下的溫敏曲線。以此獲得運行中功率晶閘管的結溫，進而達到監(jiān)測功率晶閘管運行狀態(tài)的目的。