晶閘管四象限觸發特性參數測試技術

吳曉華， 韋文生， 熊愉可， 王 淵， 羅 飛

（1.溫州大學電氣與電子工程學院，浙江 溫州 325035；2.金華市華豐儀器研究所，浙江 金華 321017）

0 引 言

晶閘管作為一種半控型電力電子器件［1-3］，具有優越的電氣性能，且價格低廉、技術成熟，適用于激光、等離子物理、供配電（如柔性直流輸電、無功補償）等領域。觸發特性參數是晶閘管的關鍵參數，取決于器件的內部結構［4-5］，也受外部電路和環境溫度的影響［6-7］。如果用作復合開關的晶閘管的觸發特性參數相差太大［8］，會導致負載電流波形畸變。因此，裝機前測出晶閘管的觸發特性參數，淘汰不合格元件，對保證電氣設備質量尤為重要。對于雙向晶閘管，只要門極觸發電流合適，加載在晶閘管陰、陽極兩端的電壓無論正、負，當其絕對值大于某一固定值，器件就能導通。換言之，當加載在晶閘管陰、陽極兩端的電壓由正減小直至反向到一定程度時，晶閘管的導通狀態會發生改變。不同方向的電流對應不同的觸發特性參數，所以測試四象限的觸發特性參數十分必要。晶閘管觸發特性參數的測試技術主要包括換流閥閥控脈沖法和數控恒壓源法［9］，基于前一種技術的設備產生觸發脈沖，讓晶閘管觸發導通；再監測晶閘管的狀態，并通過光發射二極管發送回報信號，在液晶顯示器（LCD）上實時顯示波形。這種測試儀體積小、質量輕，可以實時顯示波形，但需人工讀數。后一種技術的設備產生測試條件并加載到晶閘管上［10］，利用電壓表、電流表監測晶閘管的工作狀態，當狀態改變，數據被送到CPU，由CPU計算并驅動LCD顯示出來。此設備中數控恒壓源電壓的變化可以根據測試精度和速度要求進行選擇，誤差小、速度快，能夠滿足高、低壓晶閘管的測試需求。當前市場上的晶閘管觸發特性參數測試儀只能在1個象限或第1、2、3象限里工作，無法滿足4個象限工作的晶閘管的測試需求，迫切需要一種裝置能夠測量晶閘管在4個象限工作時的觸發特性參數。本文研發了測試裝置，利用它測試了3種晶閘管在4個象限的觸發特性參數。

1 測試裝置設計

1.1 觸發特性參數

晶閘管的觸發特性參數包括門極觸發電流IGT、門極觸發電壓UGT、維持電流IH。在被測單向晶閘管（DUT）的陽極（A極）加載一個正向電壓時，它不會導通。然爾在DUT的門極（G極）通入一個不斷增大的電流，它將導通。能使DUT導通的最小G極電流稱為IGT，此時的G極電壓稱為UGT。根據國家標準《半導體器件反向阻斷三極晶閘管的測試方法》（GB4024-83）要求［11］，可調直流穩壓電源給DUT的陽極通入一個規定的正向電流，給G極通入一個從零開始逐漸增大的電流，當接在DUT的陰、陽極之間的電壓表指示的斷態電壓突然下降，接在陽極的電流表指示電流通過的瞬間DUT導通，此時接在G極的電流表讀數為IGT，接在G極與地之間的電壓表讀數為UGT。導通的DUT在撤去G極電流時不會立即關斷，不斷減小陽極電流直至DUT關斷。能使DUT保持導通狀態的陽極最小電流稱為IH。利用可調直流穩壓電源給DUT通入規定的陽極電流和IGT使DUT導通，然后撤去G極電流，逐漸減小陽極電流直至DUT關斷，關斷前瞬間接在陽極的電流表讀數即為IH。對于被測雙向晶閘管來說，電流的方向可以改變，不再區分陰極和陽極，分別用T1極、T2極代替。

1.2 測試裝置設計方案

根據上述IGT、UGT、IH的定義和測試要求，提出的晶閘管四象限觸發特性參數測試技術方案如圖1所示。其中包括直流穩壓電源電路、主控及輸入／輸出電路、測試條件形成電路、狀態監控電路四部分電路。直流穩壓電源電路為本裝置的其他子電路提供所需的電流、電壓，屬于常規電路，不再贅述。主控及輸入／輸出電路主要由CPU、輸入鍵盤、LCD等構成，它控制各子電路的工作流程，能夠輸入測試命令，數字化顯示測試結果。測試條件形成電路主要由T2／T1極信號加載電路、G／T1極信號加載電路、測試象限選擇電路等組成，可為DUT提供不同象限的測試條件參數（正負不同的電流、電壓）。狀態監控電路主要由光電耦合器及其外圍電路組成，監視DUT的導通／關斷情況，并經模／數轉換器將測試結果送入CPU。測試分成兩個環節，先測IGT、UGT，后測IH。CPU控制T2／T1極信號加載電路產生0.1 A或1 A的電流，再通過測試象限選擇電路加載到DUT的相應電極，控制G／T1極信號加載電路輸出一個不斷增大的IG加載到DUT的G極。當光電耦合器檢測到DUT導通時，經模／數轉換器將IGT、UGT模擬信號轉換成數字信號送到CPU。測試IH時，CPU控制G／T1極信號加載電路使IG減小至0，控制T2／T1極信號加載電路產生不斷減小的電流，通過測試象限選擇電路加載到DUT相應的電極。當光電耦合器探測到DUT由導通轉為關斷時，經模／數轉換器把IH的模擬信號變成數字信號并送給CPU，由CPU計算并驅動LCD顯示IGT、UGT、IH的值。采用光電耦合器可以隔離觸發電信號對模／數轉換器、CPU的沖擊，減少電磁干擾。

圖1 晶閘管四象限觸發特性參數測試裝置的電路系統框圖

2 主要電路設計

2.1 主控及輸入/輸出電路

主控及輸入／輸出電路電路如圖2所示，以CPU芯片IC1為主控制器；參數輸入鍵盤、測試按鈕構成輸入子電路；LCD構成輸出子電路。另外，CPU的P20、P21、P23、P24端口連接測試條件形成電路；它還通過達林頓管陣連接測試象限選擇電路。采用達林頓管陣可以隔離強、弱電，保障CPU的安全。輸出電路中，CPU的P00～P07端口連接LCD，顯示測試條件的參數以及測試結果。

圖2 主控及輸入／輸出電路

2.2 測試條件形成電路

測試條件形成電路主要包括測試象限選擇電路、G／T1極信號加載電路、T2／T1極信號加載電路和被測晶閘管（DUT）等。

測試象限選擇電路如圖3所示，當T2極的電壓高于T1極的電壓，T2極為正；當G極的電壓高于T1極的電壓，G極為正，相對于T1來說，T2、G為正，DUT工作在第1象限；若T2為正、G為負，DUT工作在第2象限；若T2為負、G為負，DUT工作在第3象限；若T2為負、G為正，DUT工作在第4象限。CPU控制繼電器J1、J2用于調整DUT的工作象限，J1失電時T2極為正，J1得電時T2極為負；J2失電時G極為正，J2得電時G極為負。若J1、J2失電，DUT工作在第1象限；若J1失電、J2得電，DUT工作在第2象限；若J1得電、J2得電，DUT工作在第3象限；若J1得電、J2失電，DUT工作在第4象限。

圖3 測試象限選擇電路

控制電路中，CPU的P20、P23、P24端口連接T2／T1極信號加載電路，給DUT提供幅值為1 A或0.1 A的IA；CPU的P21、P23、P24端口連接G／T1極信號加載電路，給DUT提供幅值范圍為0.000 5～0.04 A或0.04～0.4 A的IG。CPU的P22、P27、INT1端口連接狀態監控電路，若DUT的狀態改變，由模／數轉換器將IGT、UGT的模擬信號轉換成數字信號并送入CPU；若DUT的狀態不變，繼續增大IGT，則UGT隨之增加，UGT小量程滿了可由CPU自動控制調整到大量程。CPU的RXD、TXD、INT0、T0端口連接高耐壓、大電流的UNL2003A型達林頓管陣，分別控制測試條件選擇電路中的繼電器J1、J2、J3、J4。其中，J1、J2不同的得失電狀態可使DUT測試在4個象限之間轉換，J3控制DUT的G／T1極的電流范圍，J4調節DUT的T2／T1極的電流范圍。

輸入電路中，CPU的P10～P17端口連接參數輸入鍵盤，可輸入測試條件參數、測試命令。測試時，若DUT某電極開路，狀態監控電路可探測到并送入CPU，CPU將停止測試操作且驅動LCD顯示出錯。應檢查DUT連接是否合適，然后通過輸入鍵盤重新設置測試參數及報警后才能啟用。CPU的P25端口（檢測觸發信號，低電平有效）連接測試按鈕，每按下一次測試一次，IGT、UGT、IH3個參數的值可同時在LCD上顯示出來；若測試雙向晶閘管，可同時顯示第1和第2、3、4象限其中之一的參數，共6個。

G／T1極信號加載電路如圖4（a）所示，在第1象限工作時電路中關鍵點的波形如圖4（b）所示。T2／T1極信號加載電路與此電路類似，不再贅述。圖2中CPU芯片連接圖4（a）中的D／A轉換器IC3、運算放大器IC2B、三極管TR2、運算放大器IC2A，為場效應管TR1提供驅動信號。直流穩壓電源提供的12 V電壓經電阻R1或電阻R1和R3組成的并聯支路、場效應管TR1給DUT的G／T1極加載信號。繼電器J3用于調整G極電流IG的范圍：當J3失電時IG的輸出范圍為0.5～40 mA；當J3得電時IG的輸出范圍為0.04～0.4 A。

當按下測試按鈕時，CPU控制G／T1極信號加載電路中的數／模轉換器IC3輸出一個幅度增大的電壓信號，直至DUT導通，此刻立即撤去IG，即IC3輸出的電壓幅值瞬間減小至零，此后保持不變。IC3的輸入端連接CPU，用于接收CPU輸出的當前指令。IC3的輸出波形應從0開始逐步增大，直至DUT導通時降為0，此后保持不變，如圖4（b）中的波形（1）所示。IC3的輸出端連接運放IC2B的同相端，因此IC2B、IC3的輸出端波形相似，如圖4（b）中的波形（2）所示。IC2B輸出端連接三極管TR2基極，TR2集電極連接IC2A的同相端，IC2A的輸出端連接場效應管TR1的柵極。所以IC2A、IC2B輸出端的電壓波形反相，如圖4（b）中的波形（3）所示。TR1的源極電壓波形是幅值大于0的一條直線。當DUT導通時，TR1源極的電壓變為零且保持不變；當DUT再次關斷時，此電壓恢復到原來的值，如圖4（b）中的波形（4）所示。波形情況反映電路工作正常。

圖4 G／T1極信號加載電路（a）及其在第1象限測試BT137型晶閘管時電路關鍵點的波形（b）

3 測試結果分析

利用本裝置分別測試了BT137、BTA16、BTA12的3種型號不同晶閘管，LCD屏幕上顯示的結果分別截圖整理如圖5所示，其中的數據列入表1。

圖5 本裝置測試3種不同型號的晶閘管在不同象限觸發特性參數的LCD屏幕截圖

表1 本裝置測試3種不同型號的晶閘管在不同象限的觸發特性參數

從表1可見，3種不同型號的晶閘管在第1象限的IGT、UGT、IH值都比較穩定。相對于在第4象限而言，晶閘管在第1、2、3象限的IGT、UGT值較小，IH值較大。雙向晶閘管工作在第4象限時，其觸發電流由門極通過2個PN結流入T2極，距離較其它象限都要遠，需要更大的電流來觸發導通，所以第4象限的IGT值比第1、2、3象限的相應值都要大［12］。另外，IGT與UGT成正比，與IH成反比，這是由于UGT增大，門極所對應的反偏PN結的內建電勢減小，晶閘管更容易導通和關斷，故IH隨之減小。所以，表1的數據符合晶閘管的物理規律。根據BT137、BTA16、BTA12型晶閘管的產品數據手冊［13-15］，BT137型晶閘管的IGT、UGT、IH最大值分別為25 mA、1.5 V、20 mA；BTA16型晶閘管的IGT、UGT、IH最大值分別為50 mA、1.3 V、25 mA；BTA12型晶閘管的IGT、UGT、IH最大值分別為50 mA、1.3 V、25 mA。不同批次晶閘管的觸發特性參數不是每個完全相同的，而是分布在一定范圍。利用本裝置測試BT137、BTA16、BTA12型晶閘管的IGT、UGT、IH值均在廠家提供的產品數據范圍之內；每個晶閘管在第1象限的觸發特性參數幾乎不變，反映本裝置的重復性好，工作穩定；在不同象限的觸發特性參數符合晶閘管的導電規律。因此，本裝置有效可靠。

4 結 論

本文研制了符合國標GB4024-83要求的晶閘管四象限觸發特性參數（IGT、UGT、IH）測試裝置。選用光電耦合器監測DUT的觸發狀態可以隔離觸發電信號對模／數轉換器、CPU的沖擊，減少電磁干擾；利用達林頓管陣隔離強、弱電，保障測試裝置的安全。利用本裝置測試3種型號晶閘管的結果表明，第1象限的觸發特性參數幾乎不變，不同象限的觸發特性參數符合晶閘管導電的物理規律，利用本裝置測試的結果與產品數據手冊的值基本吻合。結果反映本裝置的重復性好、工作穩定、可靠。

本文研制的裝置和提供的方法，適應晶閘管四象限觸發特性參數的測試要求，能在LCD上顯示結果，操作方便，工作效率高。該裝置符合高校教學以及部分科研單位、企業的測試需求；可選購元器件進行批量制造，市場前景誘人，值得進一步完善功能，拓展應用。