王旭梅 廉龍飛

摘 要：通過(guò)對(duì)晶閘管的導(dǎo)通性能的分析，得出了晶閘管開(kāi)通時(shí)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(shí)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(kāi)通性能。

關(guān)鍵詞：晶閘管；開(kāi)通時(shí)間；電壓；電流；關(guān)系

半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)在使用壽命和穩(wěn)定性方面有著傳統(tǒng)氣體開(kāi)關(guān)不可比擬的優(yōu)勢(shì)，因此在實(shí)際使用中有這替代氣體開(kāi)關(guān)的趨勢(shì)。半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的控制方式包括有電壓控制和電流觸發(fā)兩種類(lèi)型，電壓控制主要是絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和金氧半場(chǎng)效晶體管（MOSFET）為主，應(yīng)用在對(duì)關(guān)斷有要求的脈沖電路中，開(kāi)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(chǎng)合中。

晶閘管是電流觸發(fā)型開(kāi)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(chǎng)合和領(lǐng)域中使用。但是在實(shí)際使用中，晶閘管開(kāi)通時(shí)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(shí)晶閘管會(huì)由于門(mén)極區(qū)域開(kāi)通拓展不充分而導(dǎo)致局部過(guò)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(shí)精度會(huì)出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，造成組建性能不穩(wěn)定。因此研究不同情況下晶閘管的開(kāi)通特性對(duì)于提升晶閘管開(kāi)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(hào)電路、光纖隔離電路、強(qiáng)觸發(fā)三個(gè)部分構(gòu)成?？刂菩盘?hào)產(chǎn)生電路可以滿(mǎn)足外部同步觸發(fā)和單次手動(dòng)觸發(fā)的要求，通過(guò)鑰匙開(kāi)關(guān)控制觸發(fā)方式，光纖隔離電路通過(guò)電光轉(zhuǎn)換后利用光纖來(lái)傳輸信號(hào)，這樣做可以讓晶閘管電路和控制信號(hào)電路之間減少干擾，強(qiáng)觸發(fā)電路采用專(zhuān)門(mén)的UCC27321驅(qū)動(dòng)芯片，減少開(kāi)通和關(guān)斷的損耗，達(dá)到對(duì)MOSFET的強(qiáng)觸發(fā)效果。在本電路中采用MOSFET的型號(hào)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(kāi)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(cè)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(mén)極G和陰極K，晶閘管選用型號(hào)為3CTM1500-20，這種類(lèi)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(kāi)通時(shí)間的關(guān)系

晶閘管觸發(fā)電流和工作電壓是影響開(kāi)通時(shí)間的兩個(gè)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(kāi)通時(shí)間作為調(diào)節(jié)變量，通過(guò)調(diào)節(jié)強(qiáng)觸發(fā)電路中的電容充電電壓來(lái)改變觸發(fā)電流的幅值，通過(guò)調(diào)節(jié)主電容的充電電壓值來(lái)改變晶閘管的工作電壓。

觸發(fā)電流對(duì)開(kāi)通時(shí)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(shí)，晶閘管開(kāi)通時(shí)間與觸發(fā)電流呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，開(kāi)通時(shí)間隨著觸發(fā)電流的增加而下降。當(dāng)串聯(lián)電阻為10Ω時(shí)，觸發(fā)電流在0.5到5.0A范圍時(shí)，晶閘管開(kāi)通時(shí)間縮短，當(dāng)觸發(fā)電流進(jìn)一步增加時(shí)，開(kāi)通時(shí)間沒(méi)有明顯的增加。我們可以這樣解釋?zhuān)寒?dāng)一定密度的電子到達(dá)晶閘管門(mén)極后，咋門(mén)極擴(kuò)散，穿越空間電荷區(qū)后經(jīng)過(guò)電場(chǎng)加速，導(dǎo)致空穴或者再注入漂移，直到整個(gè)晶閘管管芯貫通，開(kāi)關(guān)開(kāi)通。觸發(fā)電流大時(shí)，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(kāi)通。但是晶閘管開(kāi)通時(shí)間不可能無(wú)限變小，以為載流子在管芯中擴(kuò)散和漂移本身就需要時(shí)間。

三、工作電壓對(duì)晶閘管開(kāi)通時(shí)間的影響

理論上來(lái)說(shuō)晶閘管開(kāi)通時(shí)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(shí)，工作電壓較低時(shí)，晶閘管開(kāi)通時(shí)間比較長(zhǎng)，當(dāng)工作電壓上升時(shí)開(kāi)通時(shí)間縮短。通過(guò)以上可以發(fā)現(xiàn)晶閘管的開(kāi)通時(shí)間與載流子在晶閘管n基區(qū)的漂移時(shí)間有關(guān)系，工作電壓越高，基區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度越大，電子在p基區(qū)的漂移速率就越快，導(dǎo)通時(shí)間就越短。另外晶閘管開(kāi)通時(shí)間可分為延遲時(shí)間和導(dǎo)通時(shí)間兩個(gè)部分，延遲時(shí)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小；導(dǎo)通時(shí)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(duì)不同工作電壓的晶閘管觸發(fā)開(kāi)通特性進(jìn)行分析，晶閘管的開(kāi)通時(shí)間與觸發(fā)電流幅值呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，導(dǎo)通時(shí)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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