功率晶閘管的熱敏特性研究

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(1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041； 2.東方電氣(成都)工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，四川 成都 611731；3.國(guó)網(wǎng)杭州供電公司，浙江 杭州 310000)

0 引 言

隨著脈沖功率技術(shù)的發(fā)展，晶閘管作為閉合開關(guān)在該領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用。作為核心器件之一，晶閘管的狀態(tài)也直接關(guān)系到系統(tǒng)的正常運(yùn)行[1-3]。微觀研究和實(shí)際應(yīng)用表明[4]，晶閘管的電氣性能、使用壽命等參數(shù)均和其結(jié)溫有著很大的關(guān)系。因此研究晶閘管各種工況下的結(jié)溫不僅有助于優(yōu)化改善晶閘管的性能，而且對(duì)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(guān)，當(dāng)其被觸發(fā)導(dǎo)通后[5-6]，正向電流會(huì)在PN結(jié)中產(chǎn)生焦耳熱，并且熱量不會(huì)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(jié)溫。這就導(dǎo)致晶閘管的結(jié)溫?zé)o法從外部測(cè)量。目前，分析和研究其結(jié)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(cè)量中存在封裝復(fù)雜、額定電流高等實(shí)際情況，上述方法都存在一定的局限性。下面討論一種通過(guò)功率晶閘管的熱敏參數(shù)來(lái)反映結(jié)溫的方法。

1 晶閘管的熱敏特性

晶閘管是一種具有3個(gè)PN結(jié)的功率半導(dǎo)體器件[7-8]，而PN結(jié)的很多特性參數(shù)都對(duì)溫度敏感，隨著溫度的變化而變化。因此可以通過(guò)測(cè)量PN結(jié)的某些特征參數(shù)和溫度之間的關(guān)系來(lái)反映PN結(jié)的溫度，進(jìn)而獲得運(yùn)行狀態(tài)下晶閘管芯片的結(jié)溫。

由文獻(xiàn)可知，單個(gè)PN結(jié)的通態(tài)壓降具有負(fù)溫度特性，并且其通態(tài)壓降隨著PN結(jié)溫度的升高在一定溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)線性的下降。單個(gè)PN結(jié)的正向電流If和通態(tài)電壓Uf具有式(1)所述的關(guān)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(xué)溫度；Uf為通態(tài)壓降；I0為PN結(jié)的反向飽和電流。I0的表達(dá)式為

(2)

式中：A為一個(gè)與溫度無(wú)關(guān)的常數(shù)；Ug0為半導(dǎo)體材料的禁帶寬度。

將式(2)代入式(1)，兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)整理可得式(3)。

(3)

式(3)描述了PN結(jié)的通態(tài)壓降、正向電流、結(jié)溫三者之間的關(guān)系。可以看出，當(dāng)If為恒流時(shí)，通態(tài)壓降只與PN結(jié)的溫度相關(guān)。易知當(dāng)T=0和T=1時(shí)，Unl=0。對(duì)Unl表達(dá)式求導(dǎo)可得式(4)。

(4)

易知當(dāng)T=1/e時(shí)，Unl存在一個(gè)極值點(diǎn)且為極大值。

Unl與T的關(guān)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(qiáng)；而在中溫區(qū)兩者則趨向于線性關(guān)系。

圖1 硅PN結(jié)的典型U-T特性曲線

實(shí)際應(yīng)用中，硅半導(dǎo)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(cè)試

設(shè)計(jì)并搭建了如圖2所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)功率晶閘管的熱敏特性進(jìn)行測(cè)試。待測(cè)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(cè)試電流If在取值時(shí)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(dǎo)致的附加發(fā)熱。根據(jù)文獻(xiàn)[6]可知，當(dāng)If=20 A時(shí)，可認(rèn)為功率晶閘管芯片已經(jīng)充分導(dǎo)通且遠(yuǎn)小于額定電流，因此，平臺(tái)中采用了一臺(tái)20 A的恒流源提供式中的If。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，用烘箱將待測(cè)功率晶閘管逐級(jí)加熱至不同的目標(biāo)溫度，經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到熱平衡后觸發(fā)功率晶閘管使其導(dǎo)通，測(cè)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(diǎn)引出)。將獲得的通態(tài)壓降與對(duì)應(yīng)溫度關(guān)系繪制成曲線，即熱敏特性校準(zhǔn)曲線(簡(jiǎn)稱熱敏曲線)。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意

3 數(shù)據(jù)分析

圖3為本次實(shí)驗(yàn)獲得的某型功率晶閘管的熱敏曲線。

圖3 待測(cè)功率晶閘管在20 A時(shí)的熱敏曲線

通過(guò)圖3可知，該區(qū)間內(nèi)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(guò)功率晶閘管的通態(tài)壓降得出該狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)結(jié)溫。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)待測(cè)功率晶閘管的熱敏特性進(jìn)行研究，通過(guò)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)其熱敏性能進(jìn)行了測(cè)試，并繪制出試品在20 A恒定電流時(shí)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(dá)式。獲得的實(shí)驗(yàn)趨勢(shì)與理論一致，為后期測(cè)量功率晶閘管通態(tài)壓降獲得其暫態(tài)結(jié)溫打下基礎(chǔ)。

在后續(xù)研究中將通過(guò)搭建更大容量的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，來(lái)測(cè)定實(shí)際工程中額定工況下的溫敏曲線。以此獲得運(yùn)行中功率晶閘管的結(jié)溫，進(jìn)而達(dá)到監(jiān)測(cè)功率晶閘管運(yùn)行狀態(tài)的目的。