浅析晶闸管触发开通特性

王旭梅 廉龙飞

摘 要：通过对晶闸管的导通性能的分析，得出了晶闸管开通时间由触发方式和工作电压相关，强触发和高电压可以缩短导通时间，减少导通延迟。利用高电压和强触发可以有效的改善晶闸管的开通性能。

关键词：晶闸管；开通时间；电压；电流；关系

半导体开关在使用寿命和稳定性方面有着传统气体开关不可比拟的优势，因此在实际使用中有这替代气体开关的趋势。半导体开关的控制方式包括有电压控制和电流触发两种类型，电压控制主要是绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和金氧半场效晶体管（MOSFET）为主，应用在对关断有要求的脉冲电路中，开通和关断的效率比较高。相比较电流触发型以晶闸管和可关断晶闸管（GTO）主要应用在大电流场合中。

晶闸管是电流触发型开关，可以阻断高电压，流通能力强，导通损耗小，在多种场合和领域中使用。但是在实际使用中，晶闸管开通时间有延迟，导通速度慢，特别是在电路电流上升率很大的时晶闸管会由于门极区域开通拓展不充分而导致局部过热，甚至导致晶闸管的损坏。另外在串并联组建同步触发时精度会出现下降的趋势，造成组建性能不稳定。因此研究不同情况下晶闸管的开通特性对于提升晶闸管开通性能有着重要的意义。

一、强触发电路设计

为了优化晶闸管的触发，可以设计晶闸管强触发电路（如下图），电路由控制信号电路、光纤隔离电路、强触发三个部分构成。控制信号产生电路可以满足外部同步触发和单次手动触发的要求，通过钥匙开关控制触发方式，光纤隔离电路通过电光转换后利用光纤来传输信号，这样做可以让晶闸管电路和控制信号电路之间减少干扰，强触发电路采用专门的UCC27321驱动芯片，减少开通和关断的损耗，达到对MOSFET的强触发效果。在本电路中采用MOSFET的型号为IRF530，强触发电路输出电流幅值范围控制在0.35到39.60A之间。

晶闸管触发开通特性实验主要由高压直流电源、晶闸管主电路、控制电路、去磁电路、测量设备构成。在晶闸管强触发实验中，我们将强触发电路串连到二极管，然后街道晶闸管门极G和阴极K，晶闸管选用型號为3CTM1500-20，这种类型晶闸管阻断电压最高为2kV，工作频率下通电电流为1500A；脉冲变压器Tr磁芯采用非晶铁磁材料，主电容为4μF，采用直流去磁方式。

二、触发电流与开通时间的关系

晶闸管触发电流和工作电压是影响开通时间的两个主要影响因素，在电路实验中我们选用触发电路和开通时间作为调节变量，通过调节强触发电路中的电容充电电压来改变触发电流的幅值，通过调节主电容的充电电压值来改变晶闸管的工作电压。

触发电流对开通时间的影响，我们利用强触发电路串连电阻为5Ω，晶闸管工作电压为1500V时，晶闸管开通时间与触发电流呈现负相关，开通时间随着触发电流的增加而下降。当串联电阻为10Ω时，触发电流在0.5到5.0A范围时，晶闸管开通时间缩短，当触发电流进一步增加时，开通时间没有明显的增加。我们可以这样解释：当一定密度的电子到达晶闸管门极后，咋门极扩散，穿越空间电荷区后经过电场加速，导致空穴或者再注入漂移，直到整个晶闸管管芯贯通，开关开通。触发电流大时，电子密度高，载流子基准数密度提高让反馈次数减少，加快晶闸管的开通。但是晶闸管开通时间不可能无限变小，以为载流子在管芯中扩散和漂移本身就需要时间。

三、工作电压对晶闸管开通时间的影响

理论上来说晶闸管开通时间随着工作电压的升高而下降，在强触发电路串联电阻是5Ω，触发电流的幅值为40A时，工作电压较低时，晶闸管开通时间比较长，当工作电压上升时开通时间缩短。通过以上可以发现晶闸管的开通时间与载流子在晶闸管n基区的漂移时间有关系，工作电压越高，基区电场强度越大，电子在p基区的漂移速率就越快，导通时间就越短。另外晶闸管开通时间可分为延迟时间和导通时间两个部分，延迟时间主要决定于触发电流幅值，并且随触发电流幅值的增加而减小；导通时间主要决定于工作电压，并且随工作电压的提高而减小。

四、总结

我们利用强触发电路对不同工作电压的晶闸管触发开通特性进行分析，晶闸管的开通时间与触发电流幅值呈现负相关，导通时间是由工作电压值决定的。在实际工作中我们优化触发电路和提高电压可以明显提高晶闸管的导通特性。

参考文献

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