淺析晶閘管觸發(fā)開通特性

王旭梅 廉龍飛

摘 要：通過對晶閘管的導(dǎo)通性能的分析，得出了晶閘管開通時間由觸發(fā)方式和工作電壓相關(guān)，強(qiáng)觸發(fā)和高電壓可以縮短導(dǎo)通時間，減少導(dǎo)通延遲。利用高電壓和強(qiáng)觸發(fā)可以有效的改善晶閘管的開通性能。

關(guān)鍵詞：晶閘管；開通時間；電壓；電流；關(guān)系

半導(dǎo)體開關(guān)在使用壽命和穩(wěn)定性方面有著傳統(tǒng)氣體開關(guān)不可比擬的優(yōu)勢，因此在實(shí)際使用中有這替代氣體開關(guān)的趨勢。半導(dǎo)體開關(guān)的控制方式包括有電壓控制和電流觸發(fā)兩種類型，電壓控制主要是絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和金氧半場效晶體管（MOSFET）為主，應(yīng)用在對關(guān)斷有要求的脈沖電路中，開通和關(guān)斷的效率比較高。相比較電流觸發(fā)型以晶閘管和可關(guān)斷晶閘管（GTO）主要應(yīng)用在大電流場合中。

晶閘管是電流觸發(fā)型開關(guān)，可以阻斷高電壓，流通能力強(qiáng)，導(dǎo)通損耗小，在多種場合和領(lǐng)域中使用。但是在實(shí)際使用中，晶閘管開通時間有延遲，導(dǎo)通速度慢，特別是在電路電流上升率很大的時晶閘管會由于門極區(qū)域開通拓展不充分而導(dǎo)致局部過熱，甚至導(dǎo)致晶閘管的損壞。另外在串并聯(lián)組建同步觸發(fā)時精度會出現(xiàn)下降的趨勢，造成組建性能不穩(wěn)定。因此研究不同情況下晶閘管的開通特性對于提升晶閘管開通性能有著重要的意義。

一、強(qiáng)觸發(fā)電路設(shè)計(jì)

為了優(yōu)化晶閘管的觸發(fā)，可以設(shè)計(jì)晶閘管強(qiáng)觸發(fā)電路（如下圖），電路由控制信號電路、光纖隔離電路、強(qiáng)觸發(fā)三個部分構(gòu)成。控制信號產(chǎn)生電路可以滿足外部同步觸發(fā)和單次手動觸發(fā)的要求，通過鑰匙開關(guān)控制觸發(fā)方式，光纖隔離電路通過電光轉(zhuǎn)換后利用光纖來傳輸信號，這樣做可以讓晶閘管電路和控制信號電路之間減少干擾，強(qiáng)觸發(fā)電路采用專門的UCC27321驅(qū)動芯片，減少開通和關(guān)斷的損耗，達(dá)到對MOSFET的強(qiáng)觸發(fā)效果。在本電路中采用MOSFET的型號為IRF530，強(qiáng)觸發(fā)電路輸出電流幅值范圍控制在0.35到39.60A之間。

晶閘管觸發(fā)開通特性實(shí)驗(yàn)主要由高壓直流電源、晶閘管主電路、控制電路、去磁電路、測量設(shè)備構(gòu)成。在晶閘管強(qiáng)觸發(fā)實(shí)驗(yàn)中，我們將強(qiáng)觸發(fā)電路串連到二極管，然后街道晶閘管門極G和陰極K，晶閘管選用型號為3CTM1500-20，這種類型晶閘管阻斷電壓最高為2kV，工作頻率下通電電流為1500A；脈沖變壓器Tr磁芯采用非晶鐵磁材料，主電容為4μF，采用直流去磁方式。

二、觸發(fā)電流與開通時間的關(guān)系

晶閘管觸發(fā)電流和工作電壓是影響開通時間的兩個主要影響因素，在電路實(shí)驗(yàn)中我們選用觸發(fā)電路和開通時間作為調(diào)節(jié)變量，通過調(diào)節(jié)強(qiáng)觸發(fā)電路中的電容充電電壓來改變觸發(fā)電流的幅值，通過調(diào)節(jié)主電容的充電電壓值來改變晶閘管的工作電壓。

觸發(fā)電流對開通時間的影響，我們利用強(qiáng)觸發(fā)電路串連電阻為5Ω，晶閘管工作電壓為1500V時，晶閘管開通時間與觸發(fā)電流呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，開通時間隨著觸發(fā)電流的增加而下降。當(dāng)串聯(lián)電阻為10Ω時，觸發(fā)電流在0.5到5.0A范圍時，晶閘管開通時間縮短，當(dāng)觸發(fā)電流進(jìn)一步增加時，開通時間沒有明顯的增加。我們可以這樣解釋：當(dāng)一定密度的電子到達(dá)晶閘管門極后，咋門極擴(kuò)散，穿越空間電荷區(qū)后經(jīng)過電場加速，導(dǎo)致空穴或者再注入漂移，直到整個晶閘管管芯貫通，開關(guān)開通。觸發(fā)電流大時，電子密度高，載流子基準(zhǔn)數(shù)密度提高讓反饋次數(shù)減少，加快晶閘管的開通。但是晶閘管開通時間不可能無限變小，以為載流子在管芯中擴(kuò)散和漂移本身就需要時間。

三、工作電壓對晶閘管開通時間的影響

理論上來說晶閘管開通時間隨著工作電壓的升高而下降，在強(qiáng)觸發(fā)電路串聯(lián)電阻是5Ω，觸發(fā)電流的幅值為40A時，工作電壓較低時，晶閘管開通時間比較長，當(dāng)工作電壓上升時開通時間縮短。通過以上可以發(fā)現(xiàn)晶閘管的開通時間與載流子在晶閘管n基區(qū)的漂移時間有關(guān)系，工作電壓越高，基區(qū)電場強(qiáng)度越大，電子在p基區(qū)的漂移速率就越快，導(dǎo)通時間就越短。另外晶閘管開通時間可分為延遲時間和導(dǎo)通時間兩個部分，延遲時間主要決定于觸發(fā)電流幅值，并且隨觸發(fā)電流幅值的增加而減?。粚?dǎo)通時間主要決定于工作電壓，并且隨工作電壓的提高而減小。

四、總結(jié)

我們利用強(qiáng)觸發(fā)電路對不同工作電壓的晶閘管觸發(fā)開通特性進(jìn)行分析，晶閘管的開通時間與觸發(fā)電流幅值呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，導(dǎo)通時間是由工作電壓值決定的。在實(shí)際工作中我們優(yōu)化觸發(fā)電路和提高電壓可以明顯提高晶閘管的導(dǎo)通特性。

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