浅谈功率晶闸管反向恢复特性

中车永济电机有限公司 山西 永济 044502

引言

通常情况下，功率晶闸管具有可控性好、电流承受极限高、可重复率强等优点，因此其在电源开关等相关工业领域得到了广泛的应用。然而，由于晶闸管存在着反向恢复的特性，如果发生浪涌问题，将会导致反向恢复的问题发生，进而损坏内部元件。为了降低晶闸管浪涌损坏的概率，应当通过深入的研究，建立有效晶闸管模型，对浪涌情况进行模拟，分析反向恢复问题的特性，并采取有效措施进行解决。虽然晶闸管的反向恢复过程属于固有特征，但在大多数广泛使用的电路建模软件中，建立出的晶闸管模型并没有应用这种特性。因此，在建模过程中需要对现有的模型进行改进，或者通过多种方法重新建立实用模型，实现研究效果。通过对功率晶闸管在高电压、大电流条件下反向恢复过程进行理论研究，能够发现其主要过程机理，为相关应用人员提供有效的参考。

1 晶体管主要工作机制

晶闸管是一种三引脚、四层半导体开关器件，其具有掺杂量低，注入基底面积大的特征。当从阻断状态切换到导电状态时，大量的不平衡载流子被注入到硅片的每个区域，导致晶闸管由导通态转入阻断态时，必须通过组成、迁移、扩散等方法将这些不平衡载流子消散，使整体系统恢复高阻态，这就是功率晶闸管的反向恢复过程。晶闸管开闭过程的电压、电流波形如图1所示，其中：I rm为反向电流峰值，Urm为反向电压峰值，Trr为反向阻断恢复时间，T gr为直接阻断恢复时间，t off=t rr+t gr为关断时间。

图1 晶闸管开关主要流程

2 影响反向恢复效果的主要因素

2.1 剩余温度累积 较高的连接温度会降低基区低聚物的寿命，引起热激发，不便于关机操作的进行。同时，如果开关的温度越高，整体容量便越大，导致漏电流也会产生上升趋势，进而引起开关时间增加[1]。通过建立5000A/8500V的晶闸管仿真模型进行测试，在3500V时开始触发。触发稳定后，使其在常温状态下产生反向恢复现象，当再生回流电流达到最大时，仪器的平均结温没有明显变化，但局部结温瞬间升高，中断了热平衡的初始状态，导致仪器本身的设计不能满足散热要求，进而导致故障的产生。

2.2 du/dt问题du/dt的前悬越高，位移电流越大。留在原连接区附近的位移和不平衡电流载流子将会发生重合，进而导致元件开机时更容易达到临界负荷值，引起二次复通的现象，在这种情况下，载流子必须使用更多的连接时间，因此关机时间会显著延长。

2.3 电流影响 电流越大，越有可能在剩余的不平衡介质上施加相同的直接电压，这样就不会导致元件重新启动。除上述因素外，反转恢复特性还受器件的正向电流、反向电压、正向电流下降率和短路发射器的影响。反向恢复失去功能通常是由多种因素造成。由于串联晶闸管反向恢复特性的不匹配，导致点火时阀门晶闸管级两端的电压不同，各晶闸管级的零点正向穿越时间也不同，进而引起反向阀工作时电压不同，可能会导致阀相故障。

3 优化功率晶闸管的策略途径

3.1 尽可能降低部分载流子存在时间 通过在硅网络中引入复合中心，能够实现广泛的介质寿命变化。利用金、铂等金属掺杂的方式，结合电子辐照等方法，能够有效降低载流子寿命。使相关时间降低，加快连接速度，缩短停机时间。优化后晶闸管的发射极短路点可以承受开路前最大的阳极电压变化，并完善阴极短路点的几何形状和阴极电压变化。在关断过程中，再次施加正向电压时，阳极电流会开始改变方向，并沿正向通过两个区域，实现额外介质注入效果，注入介质的数量与正向电流及其持续时间成正比。正向电流由两部分组成，一部分由集电极分散的几个载流子组成，另一部分由集电极电容充电时跳出的大部分载流子组成。通过发射器的短路点，直流电能够直接流向阴极触点。短路点在一定密度内数量越多，晶闸管在不跳闸的情况下重新施加电压时所能承受的正向电流就越大。因此，可以提前施加电压达到缩短跳闸时间的效果。

3.2 采取有效措施优化基质区域成分 通过提高阳极电压，可以在反相块的结处获得均匀分布的漂移电流。漂移电流密度随阳极电压的增加而增加，这与连接容量的减少有关。电流根据晶闸管的漏电流流动，当晶闸管处于直接阻断模式时，从区域收集到的漂移电流将短路到阴极，当漂移电流流过基极P形区域的电阻Rs时，N+阴极中心的连接将移到正极。当正向位移和内置电位相等时，电子将会开始注入，最终使晶闸管进入导通状态。为了提高du/dt的容量，可相应提高短基区的浓度，降低相关效果[2]。

3.3 合理设计芯片基础结构 可以通过阴极图形设计，进一步优化阴极栅极和阴极短路结构，使阴极的有效表面积产生增加，并促进栅极的初始导电线长度提升，达到增强器件的动态容量的效果，使器件能够在du/dt容量和di/dt容差方面具有较强的稳定性，降低了关断损耗，使关断时间减半，降低了失败风险。

3.4 降低高温影响问题 晶闸管结的温度反转对恢复期有较大影响。因此，优化晶闸管器件的热性能极为重要。通常情况下，晶闸管外壳热阻的大小反映了器件热性能的优劣。器件外壳热阻的大小与很多因素有关，主要是材料部件传热方向的性质、厚度和截面积相关，一般截面积越大，热阻越小。通过仿真，可以对晶闸管外壳进行优化设计，增大接触面面积，以降低元件的热阻状态，解决工作时的接头过热问题，降低设备在反向恢复期间发生故障的概率。

结束语

综上所述，在功率晶闸管的应用过程中，经常会出现反向恢复的问题。相关研究人员应当通过建立有效的模型，通过仿真的方式，再现反向恢复问题，对其进行深入研究。通过有效的研究策略，明晰其发生机理和解决办法，为功率晶闸管的进一步应用，打下坚实的基础。