淺析晶閘管觸發開通特性

王旭梅 廉龍飛

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

關鍵詞：晶閘管；開通時間；電壓；電流；關系

半導體開關在使用壽命和穩定性方面有著傳統氣體開關不可比擬的優勢，因此在實際使用中有這替代氣體開關的趨勢。半導體開關的控制方式包括有電壓控制和電流觸發兩種類型，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，應用在對關斷有要求的脈沖電路中，開通和關斷的效率比較高。相比較電流觸發型以晶閘管和可關斷晶閘管（GTO）主要應用在大電流場合中。

晶閘管是電流觸發型開關，可以阻斷高電壓，流通能力強，導通損耗小，在多種場合和領域中使用。但是在實際使用中，晶閘管開通時間有延遲，導通速度慢，特別是在電路電流上升率很大的時晶閘管會由于門極區域開通拓展不充分而導致局部過熱，甚至導致晶閘管的損壞。另外在串并聯組建同步觸發時精度會出現下降的趨勢，造成組建性能不穩定。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、強觸發電路設計

為了優化晶閘管的觸發，可以設計晶閘管強觸發電路（如下圖），電路由控制信號電路、光纖隔離電路、強觸發三個部分構成。控制信號產生電路可以滿足外部同步觸發和單次手動觸發的要求，通過鑰匙開關控制觸發方式，光纖隔離電路通過電光轉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，強觸發電路采用專門的UCC27321驅動芯片，減少開通和關斷的損耗，達到對MOSFET的強觸發效果。在本電路中采用MOSFET的型號為IRF530，強觸發電路輸出電流幅值范圍控制在0.35到39.60A之間。

晶閘管觸發開通特性實驗主要由高壓直流電源、晶閘管主電路、控制電路、去磁電路、測量設備構成。在晶閘管強觸發實驗中，我們將強觸發電路串連到二極管，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、觸發電流與開通時間的關系

晶閘管觸發電流和工作電壓是影響開通時間的兩個主要影響因素，在電路實驗中我們選用觸發電路和開通時間作為調節變量，通過調節強觸發電路中的電容充電電壓來改變觸發電流的幅值，通過調節主電容的充電電壓值來改變晶閘管的工作電壓。

觸發電流對開通時間的影響，我們利用強觸發電路串連電阻為5Ω，晶閘管工作電壓為1500V時，晶閘管開通時間與觸發電流呈現負相關，開通時間隨著觸發電流的增加而下降。當串聯電阻為10Ω時，觸發電流在0.5到5.0A范圍時，晶閘管開通時間縮短，當觸發電流進一步增加時，開通時間沒有明顯的增加。我們可以這樣解釋：當一定密度的電子到達晶閘管門極后，咋門極擴散，穿越空間電荷區后經過電場加速，導致空穴或者再注入漂移，直到整個晶閘管管芯貫通，開關開通。觸發電流大時，電子密度高，載流子基準數密度提高讓反饋次數減少，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，在強觸發電路串聯電阻是5Ω，觸發電流的幅值為40A時，工作電壓較低時，晶閘管開通時間比較長，當工作電壓上升時開通時間縮短。通過以上可以發現晶閘管的開通時間與載流子在晶閘管n基區的漂移時間有關系，工作電壓越高，基區電場強度越大，電子在p基區的漂移速率就越快，導通時間就越短。另外晶閘管開通時間可分為延遲時間和導通時間兩個部分，延遲時間主要決定于觸發電流幅值，并且隨觸發電流幅值的增加而減小；導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

我們利用強觸發電路對不同工作電壓的晶閘管觸發開通特性進行分析，晶閘管的開通時間與觸發電流幅值呈現負相關，導通時間是由工作電壓值決定的。在實際工作中我們優化觸發電路和提高電壓可以明顯提高晶閘管的導通特性。

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