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門極觸發(fā)強(qiáng)度對(duì)晶閘管開通特性的影響
晶閘管是一種電流控制型的雙極型半導(dǎo)體器件，它要求門極驅(qū)動(dòng)單元類似于一個(gè)電流源，能向晶閘管的門極提供一個(gè)特別陡直的尖峰電流脈沖，以保證在任何時(shí)刻均能可靠觸發(fā)晶閘管。晶閘管的門極觸發(fā)脈沖特性對(duì)晶閘管的額定值和特性參數(shù)有非常強(qiáng)烈的影響。我們建議用戶應(yīng)用中采用強(qiáng)觸發(fā)方式，觸發(fā)脈沖電流幅值IG大于或等于10IGT；脈沖上升時(shí)間tr≤1μs。為了保證器件可靠工作，IG必須遠(yuǎn)大于IGT。
但在實(shí)際應(yīng)用中，許多用戶觸發(fā)脈沖電流幅值和脈沖上升時(shí)間遠(yuǎn)未能滿足上述要求。尤其在電機(jī)軟啟動(dòng)領(lǐng)域，許多整機(jī)廠給出的觸發(fā)脈沖非常臨界，某些情況下竟無法讓元件開通。在中頻電源領(lǐng)域，逆變器件的觸發(fā)脈沖一般陡度較差。針對(duì)不同門極觸發(fā)條件對(duì)晶閘管開通特性的影響問題，我們進(jìn)行了一系列的模擬試驗(yàn)。
一、觸發(fā)脈沖幅值對(duì)晶閘管開通的影響
晶閘管樣品：臺(tái)基公司 Y45KKE 實(shí)測(cè)門極參數(shù) IGT： 78 mA ，VGT：1.25V。
在 VD：300V，di/dt：130A條件下試驗(yàn)。
下圖A、B、C分別為觸發(fā)脈沖幅值IG =1A、200mA、80mA時(shí)的元件開通電壓波形。
由上圖可見，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。下表為不同門極觸發(fā)電流值下測(cè)試所得的器件開通時(shí)間值。
| IGT (mA) | 1000 | 500 | 370 | 280 | 200 | 100 | 80 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| tgt(μs) | 2.1 | 2.3 | 2.4 | 2.6 | 3.2 | 6.4 | 20.2 |
可見，在觸發(fā)脈沖幅值接近于器件IGT時(shí)，器件雖可開通，但器件開通的延遲效應(yīng)非常明顯，可能會(huì)高達(dá)數(shù)十微妙，這對(duì)于整機(jī)設(shè)備的可靠控制、安全運(yùn)行是不利的。
二、觸發(fā)脈沖上升時(shí)間（陡度）對(duì)晶閘管開通的影響
晶閘管樣品：臺(tái)基公司 Y70KKG 門極參數(shù) IGT： 129 mA ；VGT：1.69V。
在 VD：300V，di/dt：130A/μs條件下試驗(yàn)。
下圖D、E分別為觸發(fā)脈沖幅值500mA上升時(shí)間0.5μs、 1.5μs時(shí)的元件開通電壓波形。
由圖可見，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。
三、晶閘管可靠觸發(fā)對(duì)門極觸發(fā)源要求
1. 一般要求
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、器件耐受di/dt的能力增強(qiáng)。用戶應(yīng)用中應(yīng)采用強(qiáng)觸發(fā)方式：
- 觸發(fā)脈沖電流幅值：IG=10IGT
- 脈沖上升時(shí)間：tr≤1ms
- 門極脈沖寬度大于50微秒
- 為了保證器件可靠工作，IG必須遠(yuǎn)大于IGT
2. 高di/dt下運(yùn)用
器件在高di/dt下運(yùn)用時(shí)，特別是當(dāng)晶閘管的阻斷電壓很高時(shí)，在開通過程中門-陰間橫向電阻所產(chǎn)生的電壓可能會(huì)超過門極電壓，嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)归T極電流倒流。這種負(fù)的門極電流會(huì)引起開通損耗增加或器件因di/dt損壞?？赡軙?huì)導(dǎo)致器件高di/dt損壞。
下圖為一只Y50KKE器件在VG 10V，di/dt 1200A/μs條件下的IG波形?？梢娫谄骷_通1ms后，出現(xiàn)了門極電流倒流的現(xiàn)象。
因此，我們要求在高di/dt下運(yùn)用時(shí)門極觸發(fā)電源電壓VG不低于20V，或在門極線路上串聯(lián)二極管，防止門極電流倒流。
3. 晶閘管串并聯(lián)使用
晶閘管的串聯(lián)：晶閘串聯(lián)管應(yīng)用時(shí)，要求其相互串聯(lián)的每個(gè)晶閘管應(yīng)盡可能地一致開通，這是因?yàn)檩^慢開通的器件可能承受過電壓，這就要求同組相串聯(lián)的晶閘管之間有最小的門極開通延遲時(shí)間偏差Δtd ，而強(qiáng)的門極觸發(fā)脈沖能使這個(gè)延遲時(shí)間偏差Δtd 降到最小。
晶閘管的并聯(lián)：陡而強(qiáng)的門極觸發(fā)脈沖能使并聯(lián)晶閘管開通特性的不平衡降至最小，從而使有最佳的均流效果。
在晶閘管串并聯(lián)使用時(shí)，要求：
- IGM ≈1- 3A
- diG/dt ≥ 1A/m s
- tr ≤1 m s
- tp(IGM) =5- 20 m s