淺談功率晶閘管反向恢復(fù)特性

中車永濟電機有限公司 山西 永濟 044502

引言

通常情況下，功率晶閘管具有可控性好、電流承受極限高、可重復(fù)率強等優(yōu)點，因此其在電源開關(guān)等相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，由于晶閘管存在著反向恢復(fù)的特性，如果發(fā)生浪涌問題，將會導(dǎo)致反向恢復(fù)的問題發(fā)生，進而損壞內(nèi)部元件。為了降低晶閘管浪涌損壞的概率，應(yīng)當通過深入的研究，建立有效晶閘管模型，對浪涌情況進行模擬，分析反向恢復(fù)問題的特性，并采取有效措施進行解決。雖然晶閘管的反向恢復(fù)過程屬于固有特征，但在大多數(shù)廣泛使用的電路建模軟件中，建立出的晶閘管模型并沒有應(yīng)用這種特性。因此，在建模過程中需要對現(xiàn)有的模型進行改進，或者通過多種方法重新建立實用模型，實現(xiàn)研究效果。通過對功率晶閘管在高電壓、大電流條件下反向恢復(fù)過程進行理論研究，能夠發(fā)現(xiàn)其主要過程機理，為相關(guān)應(yīng)用人員提供有效的參考。

1 晶體管主要工作機制

晶閘管是一種三引腳、四層半導(dǎo)體開關(guān)器件，其具有摻雜量低，注入基底面積大的特征。當從阻斷狀態(tài)切換到導(dǎo)電狀態(tài)時，大量的不平衡載流子被注入到硅片的每個區(qū)域，導(dǎo)致晶閘管由導(dǎo)通態(tài)轉(zhuǎn)入阻斷態(tài)時，必須通過組成、遷移、擴散等方法將這些不平衡載流子消散，使整體系統(tǒng)恢復(fù)高阻態(tài)，這就是功率晶閘管的反向恢復(fù)過程。晶閘管開閉過程的電壓、電流波形如圖1所示，其中：I rm為反向電流峰值，Urm為反向電壓峰值，Trr為反向阻斷恢復(fù)時間，T gr為直接阻斷恢復(fù)時間，t off=t rr+t gr為關(guān)斷時間。

圖1 晶閘管開關(guān)主要流程

2 影響反向恢復(fù)效果的主要因素

2.1 剩余溫度累積 較高的連接溫度會降低基區(qū)低聚物的壽命，引起熱激發(fā)，不便于關(guān)機操作的進行。同時，如果開關(guān)的溫度越高，整體容量便越大，導(dǎo)致漏電流也會產(chǎn)生上升趨勢，進而引起開關(guān)時間增加[1]。通過建立5000A/8500V的晶閘管仿真模型進行測試，在3500V時開始觸發(fā)。觸發(fā)穩(wěn)定后，使其在常溫狀態(tài)下產(chǎn)生反向恢復(fù)現(xiàn)象，當再生回流電流達到最大時，儀器的平均結(jié)溫沒有明顯變化，但局部結(jié)溫瞬間升高，中斷了熱平衡的初始狀態(tài)，導(dǎo)致儀器本身的設(shè)計不能滿足散熱要求，進而導(dǎo)致故障的產(chǎn)生。

2.2 du/dt問題du/dt的前懸越高，位移電流越大。留在原連接區(qū)附近的位移和不平衡電流載流子將會發(fā)生重合，進而導(dǎo)致元件開機時更容易達到臨界負荷值，引起二次復(fù)通的現(xiàn)象，在這種情況下，載流子必須使用更多的連接時間，因此關(guān)機時間會顯著延長。

2.3 電流影響 電流越大，越有可能在剩余的不平衡介質(zhì)上施加相同的直接電壓，這樣就不會導(dǎo)致元件重新啟動。除上述因素外，反轉(zhuǎn)恢復(fù)特性還受器件的正向電流、反向電壓、正向電流下降率和短路發(fā)射器的影響。反向恢復(fù)失去功能通常是由多種因素造成。由于串聯(lián)晶閘管反向恢復(fù)特性的不匹配，導(dǎo)致點火時閥門晶閘管級兩端的電壓不同，各晶閘管級的零點正向穿越時間也不同，進而引起反向閥工作時電壓不同，可能會導(dǎo)致閥相故障。

3 優(yōu)化功率晶閘管的策略途徑

3.1 盡可能降低部分載流子存在時間 通過在硅網(wǎng)絡(luò)中引入復(fù)合中心，能夠?qū)崿F(xiàn)廣泛的介質(zhì)壽命變化。利用金、鉑等金屬摻雜的方式，結(jié)合電子輻照等方法，能夠有效降低載流子壽命。使相關(guān)時間降低，加快連接速度，縮短停機時間。優(yōu)化后晶閘管的發(fā)射極短路點可以承受開路前最大的陽極電壓變化，并完善陰極短路點的幾何形狀和陰極電壓變化。在關(guān)斷過程中，再次施加正向電壓時，陽極電流會開始改變方向，并沿正向通過兩個區(qū)域，實現(xiàn)額外介質(zhì)注入效果，注入介質(zhì)的數(shù)量與正向電流及其持續(xù)時間成正比。正向電流由兩部分組成，一部分由集電極分散的幾個載流子組成，另一部分由集電極電容充電時跳出的大部分載流子組成。通過發(fā)射器的短路點，直流電能夠直接流向陰極觸點。短路點在一定密度內(nèi)數(shù)量越多，晶閘管在不跳閘的情況下重新施加電壓時所能承受的正向電流就越大。因此，可以提前施加電壓達到縮短跳閘時間的效果。

3.2 采取有效措施優(yōu)化基質(zhì)區(qū)域成分 通過提高陽極電壓，可以在反相塊的結(jié)處獲得均勻分布的漂移電流。漂移電流密度隨陽極電壓的增加而增加，這與連接容量的減少有關(guān)。電流根據(jù)晶閘管的漏電流流動，當晶閘管處于直接阻斷模式時，從區(qū)域收集到的漂移電流將短路到陰極，當漂移電流流過基極P形區(qū)域的電阻Rs時，N+陰極中心的連接將移到正極。當正向位移和內(nèi)置電位相等時，電子將會開始注入，最終使晶閘管進入導(dǎo)通狀態(tài)。為了提高du/dt的容量，可相應(yīng)提高短基區(qū)的濃度，降低相關(guān)效果[2]。

3.3 合理設(shè)計芯片基礎(chǔ)結(jié)構(gòu) 可以通過陰極圖形設(shè)計，進一步優(yōu)化陰極柵極和陰極短路結(jié)構(gòu)，使陰極的有效表面積產(chǎn)生增加，并促進柵極的初始導(dǎo)電線長度提升，達到增強器件的動態(tài)容量的效果，使器件能夠在du/dt容量和di/dt容差方面具有較強的穩(wěn)定性，降低了關(guān)斷損耗，使關(guān)斷時間減半，降低了失敗風(fēng)險。

3.4 降低高溫影響問題 晶閘管結(jié)的溫度反轉(zhuǎn)對恢復(fù)期有較大影響。因此，優(yōu)化晶閘管器件的熱性能極為重要。通常情況下，晶閘管外殼熱阻的大小反映了器件熱性能的優(yōu)劣。器件外殼熱阻的大小與很多因素有關(guān)，主要是材料部件傳熱方向的性質(zhì)、厚度和截面積相關(guān)，一般截面積越大，熱阻越小。通過仿真，可以對晶閘管外殼進行優(yōu)化設(shè)計，增大接觸面面積，以降低元件的熱阻狀態(tài)，解決工作時的接頭過熱問題，降低設(shè)備在反向恢復(fù)期間發(fā)生故障的概率。

結(jié)束語

綜上所述，在功率晶閘管的應(yīng)用過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)反向恢復(fù)的問題。相關(guān)研究人員應(yīng)當通過建立有效的模型，通過仿真的方式，再現(xiàn)反向恢復(fù)問題，對其進行深入研究。通過有效的研究策略，明晰其發(fā)生機理和解決辦法，為功率晶閘管的進一步應(yīng)用，打下堅實的基礎(chǔ)。