摘  要：本文詳細(xì)介紹了高壓軟起動(dòng)中晶閘管的門極觸發(fā)對(duì)晶閘管開通特性的影響。
      關(guān)鍵詞：晶閘管，門極，觸發(fā)，電壓，電流，脈沖；
      Abstract: This paper describes a high-voltage soft starter in the thyristor gate trigger characteristics of thyristor opening.
      Key words: thyristor，gate，trigger，voltage，current，pulse；

      1 引言
      晶閘管是一種電流控制型的雙極型半導(dǎo)體器件。因此，晶閘管的門極要求其驅(qū)動(dòng)單元能夠向晶閘管的門極提供一個(gè)極其陡峭的尖峰電流脈沖信號(hào)。以此來保證在各種可能的工作條件下均能可靠的觸發(fā)晶閘管。
      晶閘管的門極觸發(fā)脈沖對(duì)晶閘管的通斷的影響非常大，所以要求晶閘管的門極驅(qū)動(dòng)單元所送出的觸發(fā)電壓和電流，必須大于元件門極規(guī)定的觸發(fā)電壓UGT與觸發(fā)電流IGT的最大值，并且留有足夠的余量。
      在實(shí)際應(yīng)用中，許多晶閘管方式高壓軟起動(dòng)的生產(chǎn)廠家給出觸發(fā)脈沖信號(hào)的值都處于臨界狀態(tài)。所以當(dāng)遇到一些極其惡劣的工作環(huán)境，就會(huì)導(dǎo)致晶閘管不能可靠觸發(fā)。

      2  晶閘管簡(jiǎn)介
      晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱，又可稱做可控硅整流器，以前被簡(jiǎn)稱為可控硅；1957年美國(guó)通用電器公司開發(fā)出世界上第一晶閘管產(chǎn)品，并于1958年使其商業(yè)化；晶閘管是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，它有三個(gè)極：陽極，陰極和門極；晶閘管工作條件為：加正向電壓且門極有觸發(fā)電流。其派生器件有：快速晶閘管，雙向晶閘管，逆導(dǎo)晶閘管，光控晶閘管等。它是一種大功率開關(guān)型半導(dǎo)體器件，在電路中用文字符號(hào)為“V”、“VT”表示（舊標(biāo)準(zhǔn)中用字母“SCR”表示），示意于圖1。 

圖1 晶閘管的符號(hào)

      晶閘管具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過程可以控制、被廣泛應(yīng)用于可控整流、交流調(diào)壓、無觸點(diǎn)電子開關(guān)、逆變及變頻等電子電路中。

      3 晶閘管的工作條件
      由于晶閘管只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài),所以它具有開關(guān)特性,這種特性需要一定的條件才能轉(zhuǎn)化,此條件如表1所示。 

      4 晶閘管主要參數(shù)
      4.1晶閘管的電流主要參數(shù)
     （1）維持電流IH
在室溫下，控制極開路時(shí)，維持晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通所必須的最小電流，稱為維持電流。當(dāng)正向電流小于IH值時(shí)，晶閘管就自行關(guān)斷。IH值一般為幾十至幾百多毫安。它與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，則IH越小，晶閘管越難關(guān)斷。
     （2） 掣住電流IL
IL是晶閘管剛從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)并撤除門極觸發(fā)信號(hào)之后，能維持晶閘管導(dǎo)通所需的最小陽極電流稱為掣住電流。掣住電流的數(shù)值與工作條件有關(guān)，一般掣住電流IL是維持電流IH的2～4倍。
      4.2晶閘管的門極主要參數(shù)
     （1）門極觸發(fā)電流IGT
門極觸發(fā)電流IGT,是指在規(guī)定環(huán)境溫度和晶閘管陽極與陰極之間為最小值電壓6V的條件下，使晶閘管從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)所需要的最小門極直流電流。
     （2）門極觸發(fā)電壓VGT
門極觸發(fā)電壓VGT,是指在規(guī)定的環(huán)境溫度和晶閘管陽極與陰極之間為一定值正向電壓的條件下，使晶閘管從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)所需要的最小門極直流電壓，一般為1.5V左右。
      由于晶閘管門極伏安特性的分散性很大，標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了IGT和VGT的下限，選用器件時(shí)，應(yīng)注意產(chǎn)品合格證上標(biāo)明的實(shí)測(cè)參數(shù)值。應(yīng)使觸發(fā)單元送給門極的電流和電壓適當(dāng)?shù)拇笥诰чl管出廠合格證上所列的數(shù)值，但不應(yīng)該超過其峰值IFGM和UFGM。門極平均功率PG和最大功率PGM也不應(yīng)該超過規(guī)定值。

       5 門極伏安特性
       晶閘管的門極與陰極之間存在著一個(gè)PN結(jié)J3,見圖2。門極伏安特性就是指這個(gè)PN結(jié)上正向門極電壓Ug與門極電流Ig間的關(guān)系，見圖3。 

圖2 晶閘管的雙晶體管模型

      由于晶閘管的門極的伏安特性很分散，無法找到一條典型的代表曲線，只能用一條極限高阻門極特性和一條極限低阻門極特性之間的一片區(qū)域來代表所有晶閘管的門極伏安特性，如圖3陰影區(qū)域所示，此區(qū)域稱為門極伏安特性區(qū)域。這個(gè)區(qū)域?yàn)榭煽坑|發(fā)區(qū)，對(duì)于正常使用的晶閘管，其門極觸發(fā)電流和電壓都應(yīng)該處于這個(gè)區(qū)域內(nèi)?？煽坑|發(fā)區(qū)就是由門極正向峰值電流IFGM、允許的瞬時(shí)最大功率PGM和正向峰值電壓UFGM劃定的區(qū)域。

圖3 晶閘管門極伏安特性

       因此在設(shè)計(jì)觸發(fā)電路時(shí)，觸發(fā)電路產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖，其電壓和電流必須大于相應(yīng)的晶閘管的門極觸發(fā)電壓和電流，才能保證一個(gè)合格的晶閘管都能正常工作。

      6 觸發(fā)脈沖對(duì)對(duì)晶閘管開通的影響
      晶閘管的觸發(fā)是有一個(gè)過程的，也就是晶閘管的導(dǎo)通需要一定的時(shí)間，不是一觸即通，只有當(dāng)晶閘管的陽極電流即主回路電流上升到晶閘管的擎住電流IL以上時(shí)，管子才能導(dǎo)通。
      由于晶閘管內(nèi)部正反饋過程需要時(shí)間，陽極電流增長(zhǎng)不坑能是瞬時(shí)的。從門極電流階躍時(shí)刻開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%，這段時(shí)間稱為延遲時(shí)間t d, 與此同時(shí)陽極與陰極間的壓降也在減小。陽極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需要的時(shí)間稱為上升時(shí)間
t r，開通時(shí)間t gt定義為兩者之和，即t gt= t d+ t r，普通晶閘管的開通時(shí)間t gt約為6μs。
      6.1觸發(fā)脈沖幅值對(duì)晶閘管開通的影響
      普通晶閘管的延遲時(shí)間隨門極電流的增大而減小。為了縮短開通時(shí)間，常采用實(shí)際觸發(fā)電流比規(guī)定觸發(fā)電流大很多。
       例如：觸發(fā)脈沖幅值Ig =1A對(duì)應(yīng)的開通時(shí)間為2.1μs、Ig =200mA對(duì)應(yīng)的開通時(shí)間為3.2μs、Ig =80mA對(duì)應(yīng)的開通時(shí)間為20.2μs。
由此可見，晶閘管的門極觸發(fā)電流幅值對(duì)元件的開通速度有十分明顯的影響，高的門極觸發(fā)電流可以明顯降低器件的開通時(shí)間。
      6.2觸發(fā)脈沖上升時(shí)間陡度對(duì)晶閘管開通的影響
       開通時(shí)間不僅與觸發(fā)脈沖的幅值有關(guān)，而且和觸發(fā)脈沖上升時(shí)間的陡度大小有關(guān)。當(dāng)觸發(fā)脈沖幅值Ig =500mA時(shí)，脈沖上升時(shí)間0.5μs，則對(duì)應(yīng)的開通時(shí)間為6μs，而脈沖上升時(shí)間若為1.5μs，則對(duì)應(yīng)的開通時(shí)間為6.3μs。
       由此可見，觸發(fā)脈沖上升時(shí)間陡度對(duì)晶閘管的開通速度也有明顯的影響，觸發(fā)脈沖上升時(shí)間越長(zhǎng)，效果就等于降低了門極觸發(fā)電流。觸發(fā)脈沖越陡。上升時(shí)間越短的情況下，晶閘管的開通時(shí)間也越短。
       另外， 如果觸發(fā)脈沖不夠?qū)挘?晶閘管就不可能觸發(fā)導(dǎo)通。故觸發(fā)脈沖的寬度少在6μs以上，一般取20～50μs，對(duì)于大電感負(fù)載，由于電流上升較慢，觸發(fā)脈沖寬度還應(yīng)加大，否則脈沖終止時(shí)主回路電流還未上升到晶閘管的擎住電流IL以上，則晶閘管又重新關(guān)斷，所以脈沖寬度不應(yīng)小于300μs，通常取1ms，相當(dāng)于50Hz正弦波的18°電角度。

      6.3高壓軟起動(dòng)中晶閘管的門極觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)
      鑒于晶閘管的門極觸發(fā)脈沖特性對(duì)晶閘管開通過程的影響。好的觸發(fā)脈沖可以使器件的開通時(shí)間縮短、開通損耗減小。為了保證晶閘管方式高壓軟起動(dòng)在任何環(huán)境下都能安全、可靠的運(yùn)行，晶閘管方式高壓軟起動(dòng)的生產(chǎn)廠家在產(chǎn)品中應(yīng)保證觸發(fā)脈沖電流幅值IG遠(yuǎn)大于IGT ，脈沖上升時(shí)間t r小于1μs ，門極脈沖寬度大于300μs。

      7 結(jié)束語
      門極觸發(fā)脈沖的幅值和前沿陡度影響晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間。幅值增大、陡度提高時(shí)，器件的開通時(shí)間就縮短?？s短開通時(shí)間就能減小器件在電路中的開通損耗，對(duì)高壓軟起動(dòng)中的晶閘管的安全運(yùn)行是有利的。

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      作者簡(jiǎn)介
      何曉平，男，電子工程師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹半姍C(jī)拖動(dòng)?，F(xiàn)就職于哈爾濱九洲電氣股份有限公司研發(fā)中心。