理论教育 电阻和并联特性在通态中的表现

电阻和并联特性在通态中的表现

时间:2023-06-28 理论教育 版权反馈
【摘要】:由于双极型器件具有电导调制效应,通态电阻为负温度系数,则双极器件不易并联,电流与电阻是正反馈关系。单极型器件的通态电阻满足欧姆定律,表现为正温度系数,可以并联,自动均流。显然,PT型中的两个伏安特性曲线交点较低,说明该器件运行工作点受温度影响很大,而NPT型的两个伏安特性曲线交点较高,接近额定工作点,说明器件受温度影响不大。

电阻和并联特性在通态中的表现

从上面的分析中可以看到:单、双极型器件的通态特性是不一样的,其比较如图5-11所示,单极型器件的通态特性为多子行为,双极型器件的通态特性为少子行为。因此,单极型器件的通态特性可看成一个电阻RDS(on)=R+R沟道,影响RDS(on)的因素有材料、沟道和温度。其开启阈值电压为刚好使发生强反型栅极电压,约为3V左右,一般取为5倍,约15V。

温度对器件的伏安特性有较大影响,但对单、双极型两类器件的影响是不同的,如图5-12和5-13所示。前者为温度对双极型器件的影响,后者为温度对单极型器件的影响。

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图5-11 单双极型器件 特性比较

两类器件通态电阻的温度特性不同的原因是因为通态电阻的机理不同,下式为电力半导体器件通态电阻的一般表达式。而单双极型器件的通态电阻影响机理如表5-3所示。

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图5-12 温度对双极型器件影响

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图5-13 温度对单极型器件影响

表5-3 单双极型器件的通态电阻影响机理

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显然,对单极型器件,仅仅迁移率对其通态电阻有影响,受载流子浓度影响较小,迁移率随温度的上升而下降,通态电阻与迁移率成反比,因而单极型的通态电阻随温度的上升而增大;对双极型器件,迁移率与载流子浓度都对通态电阻有影响,并且影响关系正好相反,迁移率随温度的上升而下降,浓度随温度的上升而指数上升,因此对双极型器件的综合影响表现为其通态电阻随温度的上升而上升。所以说,单极型器件的通态电阻具有正的温度系数,而双极型器件的通态电阻具有负的温度系数。

正是由于双极型器件具有负的温度系数,则双极型器件在通态时具有电导调制效应,即电流越大,电阻越小。由于电导调制效应又引出双极型器件的另一个重要效应,即双极型器件电流的束流效应:双极型器件一般由许多小晶元胞并联而成,当器件开通时,di/dt大,如果门极开通较慢,则产生大的电流集中在某一小块上。如果电流过大,结温过高(Si的熔点是145℃),则这一点先烧坏,进而损坏整个器件。一般采用强触发和加电感的方式以减少di/dt来解决该问题。另一方面,要求从材料到制造力求均匀。

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图5-14 双极型器件并联时 串接均流电阻

器件通态参数的温度特性与器件并联有十分密切的关系。由于双极型器件具有电导调制效应,通态电阻为负温度系数,则双极器件不易并联,电流与电阻是正反馈关系。并联支路上的电流越大,器件通态电阻越小,则使得支路电流进一步增大,如此循环,直至器件过电流。单极型器件的通态电阻满足欧姆定律,表现为正温度系数,可以并联,自动均流。双极型器件如需要并联,则需串联均流电阻(正温度系数),如图5-14所示。为了减少功耗,实际应用中更多采用均流电抗。

IGBT是一种混合型器件,其通态电流由MOS电流和双极型电流两部分组成,根据两个分量所占比例不同,早期的IGBT产品中存在两个典型的代表,即PT型(Pounch through,以双极型分量为主)和NPT型(Non-pounch through,以单极型分量为主)。温度不同,则对这两种型号的IGBT的伏安特性的影响不同,图5-15和图5-16分别为PT型和NPT型的IGBT在常温通态伏安特性(实线)与高温伏安特性(虚线)的比较。

显然,PT型中的两个伏安特性曲线交点较低,说明该器件运行工作点受温度影响很大,而NPT型的两个伏安特性曲线交点较高,接近额定工作点,说明器件受温度影响不大。对于大容量电力电子装置,电流很大,一般采用多个IGBT并联运行,通常采用NPT型或者跟NPT型有类似特性的IGBT,使之具有自均流效果。IGBT在变换器中并联使用设计在后面章节有具体分析。

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图5-15 PT型IGBT伏安特性曲线

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图5-16 NPT型IGBT的伏安特性曲线

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