晶闸管四象限触发特性参数测试技术

吴晓华， 韦文生， 熊愉可， 王 渊， 罗 飞

（1.温州大学电气与电子工程学院，浙江 温州 325035；2.金华市华丰仪器研究所，浙江 金华 321017）

0 引 言

晶闸管作为一种半控型电力电子器件［1-3］，具有优越的电气性能，且价格低廉、技术成熟，适用于激光、等离子物理、供配电（如柔性直流输电、无功补偿）等领域。触发特性参数是晶闸管的关键参数，取决于器件的内部结构［4-5］，也受外部电路和环境温度的影响［6-7］。如果用作复合开关的晶闸管的触发特性参数相差太大［8］，会导致负载电流波形畸变。因此，装机前测出晶闸管的触发特性参数，淘汰不合格元件，对保证电气设备质量尤为重要。对于双向晶闸管，只要门极触发电流合适，加载在晶闸管阴、阳极两端的电压无论正、负，当其绝对值大于某一固定值，器件就能导通。换言之，当加载在晶闸管阴、阳极两端的电压由正减小直至反向到一定程度时，晶闸管的导通状态会发生改变。不同方向的电流对应不同的触发特性参数，所以测试四象限的触发特性参数十分必要。晶闸管触发特性参数的测试技术主要包括换流阀阀控脉冲法和数控恒压源法［9］，基于前一种技术的设备产生触发脉冲，让晶闸管触发导通；再监测晶闸管的状态，并通过光发射二极管发送回报信号，在液晶显示器（LCD）上实时显示波形。这种测试仪体积小、质量轻，可以实时显示波形，但需人工读数。后一种技术的设备产生测试条件并加载到晶闸管上［10］，利用电压表、电流表监测晶闸管的工作状态，当状态改变，数据被送到CPU，由CPU计算并驱动LCD显示出来。此设备中数控恒压源电压的变化可以根据测试精度和速度要求进行选择，误差小、速度快，能够满足高、低压晶闸管的测试需求。当前市场上的晶闸管触发特性参数测试仪只能在1个象限或第1、2、3象限里工作，无法满足4个象限工作的晶闸管的测试需求，迫切需要一种装置能够测量晶闸管在4个象限工作时的触发特性参数。本文研发了测试装置，利用它测试了3种晶闸管在4个象限的触发特性参数。

1 测试装置设计

1.1 触发特性参数

晶闸管的触发特性参数包括门极触发电流IGT、门极触发电压UGT、维持电流IH。在被测单向晶闸管（DUT）的阳极（A极）加载一个正向电压时，它不会导通。然尔在DUT的门极（G极）通入一个不断增大的电流，它将导通。能使DUT导通的最小G极电流称为IGT，此时的G极电压称为UGT。根据国家标准《半导体器件反向阻断三极晶闸管的测试方法》（GB4024-83）要求［11］，可调直流稳压电源给DUT的阳极通入一个规定的正向电流，给G极通入一个从零开始逐渐增大的电流，当接在DUT的阴、阳极之间的电压表指示的断态电压突然下降，接在阳极的电流表指示电流通过的瞬间DUT导通，此时接在G极的电流表读数为IGT，接在G极与地之间的电压表读数为UGT。导通的DUT在撤去G极电流时不会立即关断，不断减小阳极电流直至DUT关断。能使DUT保持导通状态的阳极最小电流称为IH。利用可调直流稳压电源给DUT通入规定的阳极电流和IGT使DUT导通，然后撤去G极电流，逐渐减小阳极电流直至DUT关断，关断前瞬间接在阳极的电流表读数即为IH。对于被测双向晶闸管来说，电流的方向可以改变，不再区分阴极和阳极，分别用T1极、T2极代替。

1.2 测试装置设计方案

根据上述IGT、UGT、IH的定义和测试要求，提出的晶闸管四象限触发特性参数测试技术方案如图1所示。其中包括直流稳压电源电路、主控及输入／输出电路、测试条件形成电路、状态监控电路四部分电路。直流稳压电源电路为本装置的其他子电路提供所需的电流、电压，属于常规电路，不再赘述。主控及输入／输出电路主要由CPU、输入键盘、LCD等构成，它控制各子电路的工作流程，能够输入测试命令，数字化显示测试结果。测试条件形成电路主要由T2／T1极信号加载电路、G／T1极信号加载电路、测试象限选择电路等组成，可为DUT提供不同象限的测试条件参数（正负不同的电流、电压）。状态监控电路主要由光电耦合器及其外围电路组成，监视DUT的导通／关断情况，并经模／数转换器将测试结果送入CPU。测试分成两个环节，先测IGT、UGT，后测IH。CPU控制T2／T1极信号加载电路产生0.1 A或1 A的电流，再通过测试象限选择电路加载到DUT的相应电极，控制G／T1极信号加载电路输出一个不断增大的IG加载到DUT的G极。当光电耦合器检测到DUT导通时，经模／数转换器将IGT、UGT模拟信号转换成数字信号送到CPU。测试IH时，CPU控制G／T1极信号加载电路使IG减小至0，控制T2／T1极信号加载电路产生不断减小的电流，通过测试象限选择电路加载到DUT相应的电极。当光电耦合器探测到DUT由导通转为关断时，经模／数转换器把IH的模拟信号变成数字信号并送给CPU，由CPU计算并驱动LCD显示IGT、UGT、IH的值。采用光电耦合器可以隔离触发电信号对模／数转换器、CPU的冲击，减少电磁干扰。

图1 晶闸管四象限触发特性参数测试装置的电路系统框图

2 主要电路设计

2.1 主控及输入/输出电路

主控及输入／输出电路电路如图2所示，以CPU芯片IC1为主控制器；参数输入键盘、测试按钮构成输入子电路；LCD构成输出子电路。另外，CPU的P20、P21、P23、P24端口连接测试条件形成电路；它还通过达林顿管阵连接测试象限选择电路。采用达林顿管阵可以隔离强、弱电，保障CPU的安全。输出电路中，CPU的P00～P07端口连接LCD，显示测试条件的参数以及测试结果。

图2 主控及输入／输出电路

2.2 测试条件形成电路

测试条件形成电路主要包括测试象限选择电路、G／T1极信号加载电路、T2／T1极信号加载电路和被测晶闸管（DUT）等。

测试象限选择电路如图3所示，当T2极的电压高于T1极的电压，T2极为正；当G极的电压高于T1极的电压，G极为正，相对于T1来说，T2、G为正，DUT工作在第1象限；若T2为正、G为负，DUT工作在第2象限；若T2为负、G为负，DUT工作在第3象限；若T2为负、G为正，DUT工作在第4象限。CPU控制继电器J1、J2用于调整DUT的工作象限，J1失电时T2极为正，J1得电时T2极为负；J2失电时G极为正，J2得电时G极为负。若J1、J2失电，DUT工作在第1象限；若J1失电、J2得电，DUT工作在第2象限；若J1得电、J2得电，DUT工作在第3象限；若J1得电、J2失电，DUT工作在第4象限。

图3 测试象限选择电路

控制电路中，CPU的P20、P23、P24端口连接T2／T1极信号加载电路，给DUT提供幅值为1 A或0.1 A的IA；CPU的P21、P23、P24端口连接G／T1极信号加载电路，给DUT提供幅值范围为0.000 5～0.04 A或0.04～0.4 A的IG。CPU的P22、P27、INT1端口连接状态监控电路，若DUT的状态改变，由模／数转换器将IGT、UGT的模拟信号转换成数字信号并送入CPU；若DUT的状态不变，继续增大IGT，则UGT随之增加，UGT小量程满了可由CPU自动控制调整到大量程。CPU的RXD、TXD、INT0、T0端口连接高耐压、大电流的UNL2003A型达林顿管阵，分别控制测试条件选择电路中的继电器J1、J2、J3、J4。其中，J1、J2不同的得失电状态可使DUT测试在4个象限之间转换，J3控制DUT的G／T1极的电流范围，J4调节DUT的T2／T1极的电流范围。

输入电路中，CPU的P10～P17端口连接参数输入键盘，可输入测试条件参数、测试命令。测试时，若DUT某电极开路，状态监控电路可探测到并送入CPU，CPU将停止测试操作且驱动LCD显示出错。应检查DUT连接是否合适，然后通过输入键盘重新设置测试参数及报警后才能启用。CPU的P25端口（检测触发信号，低电平有效）连接测试按钮，每按下一次测试一次，IGT、UGT、IH3个参数的值可同时在LCD上显示出来；若测试双向晶闸管，可同时显示第1和第2、3、4象限其中之一的参数，共6个。

G／T1极信号加载电路如图4（a）所示，在第1象限工作时电路中关键点的波形如图4（b）所示。T2／T1极信号加载电路与此电路类似，不再赘述。图2中CPU芯片连接图4（a）中的D／A转换器IC3、运算放大器IC2B、三极管TR2、运算放大器IC2A，为场效应管TR1提供驱动信号。直流稳压电源提供的12 V电压经电阻R1或电阻R1和R3组成的并联支路、场效应管TR1给DUT的G／T1极加载信号。继电器J3用于调整G极电流IG的范围：当J3失电时IG的输出范围为0.5～40 mA；当J3得电时IG的输出范围为0.04～0.4 A。

当按下测试按钮时，CPU控制G／T1极信号加载电路中的数／模转换器IC3输出一个幅度增大的电压信号，直至DUT导通，此刻立即撤去IG，即IC3输出的电压幅值瞬间减小至零，此后保持不变。IC3的输入端连接CPU，用于接收CPU输出的当前指令。IC3的输出波形应从0开始逐步增大，直至DUT导通时降为0，此后保持不变，如图4（b）中的波形（1）所示。IC3的输出端连接运放IC2B的同相端，因此IC2B、IC3的输出端波形相似，如图4（b）中的波形（2）所示。IC2B输出端连接三极管TR2基极，TR2集电极连接IC2A的同相端，IC2A的输出端连接场效应管TR1的栅极。所以IC2A、IC2B输出端的电压波形反相，如图4（b）中的波形（3）所示。TR1的源极电压波形是幅值大于0的一条直线。当DUT导通时，TR1源极的电压变为零且保持不变；当DUT再次关断时，此电压恢复到原来的值，如图4（b）中的波形（4）所示。波形情况反映电路工作正常。

图4 G／T1极信号加载电路（a）及其在第1象限测试BT137型晶闸管时电路关键点的波形（b）

3 测试结果分析

利用本装置分别测试了BT137、BTA16、BTA12的3种型号不同晶闸管，LCD屏幕上显示的结果分别截图整理如图5所示，其中的数据列入表1。

图5 本装置测试3种不同型号的晶闸管在不同象限触发特性参数的LCD屏幕截图

表1 本装置测试3种不同型号的晶闸管在不同象限的触发特性参数

从表1可见，3种不同型号的晶闸管在第1象限的IGT、UGT、IH值都比较稳定。相对于在第4象限而言，晶闸管在第1、2、3象限的IGT、UGT值较小，IH值较大。双向晶闸管工作在第4象限时，其触发电流由门极通过2个PN结流入T2极，距离较其它象限都要远，需要更大的电流来触发导通，所以第4象限的IGT值比第1、2、3象限的相应值都要大［12］。另外，IGT与UGT成正比，与IH成反比，这是由于UGT增大，门极所对应的反偏PN结的内建电势减小，晶闸管更容易导通和关断，故IH随之减小。所以，表1的数据符合晶闸管的物理规律。根据BT137、BTA16、BTA12型晶闸管的产品数据手册［13-15］，BT137型晶闸管的IGT、UGT、IH最大值分别为25 mA、1.5 V、20 mA；BTA16型晶闸管的IGT、UGT、IH最大值分别为50 mA、1.3 V、25 mA；BTA12型晶闸管的IGT、UGT、IH最大值分别为50 mA、1.3 V、25 mA。不同批次晶闸管的触发特性参数不是每个完全相同的，而是分布在一定范围。利用本装置测试BT137、BTA16、BTA12型晶闸管的IGT、UGT、IH值均在厂家提供的产品数据范围之内；每个晶闸管在第1象限的触发特性参数几乎不变，反映本装置的重复性好，工作稳定；在不同象限的触发特性参数符合晶闸管的导电规律。因此，本装置有效可靠。

4 结 论

本文研制了符合国标GB4024-83要求的晶闸管四象限触发特性参数（IGT、UGT、IH）测试装置。选用光电耦合器监测DUT的触发状态可以隔离触发电信号对模／数转换器、CPU的冲击，减少电磁干扰；利用达林顿管阵隔离强、弱电，保障测试装置的安全。利用本装置测试3种型号晶闸管的结果表明，第1象限的触发特性参数几乎不变，不同象限的触发特性参数符合晶闸管导电的物理规律，利用本装置测试的结果与产品数据手册的值基本吻合。结果反映本装置的重复性好、工作稳定、可靠。

本文研制的装置和提供的方法，适应晶闸管四象限触发特性参数的测试要求，能在LCD上显示结果，操作方便，工作效率高。该装置符合高校教学以及部分科研单位、企业的测试需求；可选购元器件进行批量制造，市场前景诱人，值得进一步完善功能，拓展应用。