摘  要：本文詳細介紹了高壓軟起動中晶閘管的門極觸發對晶閘管開通特性的影響。
      關鍵詞：晶閘管，門極，觸發，電壓，電流，脈沖；
      Abstract: This paper describes a high-voltage soft starter in the thyristor gate trigger characteristics of thyristor opening.
      Key words: thyristor，gate，trigger，voltage，current，pulse；

      1 引言
      晶閘管是一種電流控制型的雙極型半導體器件。因此，晶閘管的門極要求其驅動單元能夠向晶閘管的門極提供一個極其陡峭的尖峰電流脈沖信號。以此來保證在各種可能的工作條件下均能可靠的觸發晶閘管。
      晶閘管的門極觸發脈沖對晶閘管的通斷的影響非常大，所以要求晶閘管的門極驅動單元所送出的觸發電壓和電流，必須大于元件門極規定的觸發電壓UGT與觸發電流IGT的最大值，并且留有足夠的余量。
      在實際應用中，許多晶閘管方式高壓軟起動的生產廠家給出觸發脈沖信號的值都處于臨界狀態。所以當遇到一些極其惡劣的工作環境，就會導致晶閘管不能可靠觸發。

      2  晶閘管簡介
      晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又可稱做可控硅整流器，以前被簡稱為可控硅；1957年美國通用電器公司開發出世界上第一晶閘管產品，并于1958年使其商業化；晶閘管是PNPN四層半導體結構，它有三個極：陽極，陰極和門極；晶閘管工作條件為：加正向電壓且門極有觸發電流。其派生器件有：快速晶閘管，雙向晶閘管，逆導晶閘管，光控晶閘管等。它是一種大功率開關型半導體器件，在電路中用文字符號為“V”、“VT”表示（舊標準中用字母“SCR”表示），示意于圖1。 

圖1 晶閘管的符號

      晶閘管具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過程可以控制、被廣泛應用于可控整流、交流調壓、無觸點電子開關、逆變及變頻等電子電路中。

      3 晶閘管的工作條件
      由于晶閘管只有導通和關斷兩種工作狀態,所以它具有開關特性,這種特性需要一定的條件才能轉化,此條件如表1所示。 

      4 晶閘管主要參數
      4.1晶閘管的電流主要參數
     （1）維持電流IH
在室溫下，控制極開路時，維持晶閘管繼續導通所必須的最小電流，稱為維持電流。當正向電流小于IH值時，晶閘管就自行關斷。IH值一般為幾十至幾百多毫安。它與結溫有關，結溫越高，則IH越小，晶閘管越難關斷。
     （2） 掣住電流IL
IL是晶閘管剛從阻斷狀態轉變為導通狀態并撤除門極觸發信號之后，能維持晶閘管導通所需的最小陽極電流稱為掣住電流。掣住電流的數值與工作條件有關，一般掣住電流IL是維持電流IH的2～4倍。
      4.2晶閘管的門極主要參數
     （1）門極觸發電流IGT
門極觸發電流IGT,是指在規定環境溫度和晶閘管陽極與陰極之間為最小值電壓6V的條件下，使晶閘管從阻斷狀態轉變為導通狀態所需要的最小門極直流電流。
     （2）門極觸發電壓VGT
門極觸發電壓VGT,是指在規定的環境溫度和晶閘管陽極與陰極之間為一定值正向電壓的條件下，使晶閘管從阻斷狀態轉變為導通狀態所需要的最小門極直流電壓，一般為1.5V左右。
      由于晶閘管門極伏安特性的分散性很大，標準只規定了IGT和VGT的下限，選用器件時，應注意產品合格證上標明的實測參數值。應使觸發單元送給門極的電流和電壓適當的大于晶閘管出廠合格證上所列的數值，但不應該超過其峰值IFGM和UFGM。門極平均功率PG和最大功率PGM也不應該超過規定值。

       5 門極伏安特性
       晶閘管的門極與陰極之間存在著一個PN結J3,見圖2。門極伏安特性就是指這個PN結上正向門極電壓Ug與門極電流Ig間的關系，見圖3。 

圖2 晶閘管的雙晶體管模型

      由于晶閘管的門極的伏安特性很分散，無法找到一條典型的代表曲線，只能用一條極限高阻門極特性和一條極限低阻門極特性之間的一片區域來代表所有晶閘管的門極伏安特性，如圖3陰影區域所示，此區域稱為門極伏安特性區域。這個區域為可靠觸發區，對于正常使用的晶閘管，其門極觸發電流和電壓都應該處于這個區域內。可靠觸發區就是由門極正向峰值電流IFGM、允許的瞬時最大功率PGM和正向峰值電壓UFGM劃定的區域。

圖3 晶閘管門極伏安特性

       因此在設計觸發電路時，觸發電路產生的觸發脈沖，其電壓和電流必須大于相應的晶閘管的門極觸發電壓和電流，才能保證一個合格的晶閘管都能正常工作。

      6 觸發脈沖對對晶閘管開通的影響
      晶閘管的觸發是有一個過程的，也就是晶閘管的導通需要一定的時間，不是一觸即通，只有當晶閘管的陽極電流即主回路電流上升到晶閘管的擎住電流IL以上時，管子才能導通。
      由于晶閘管內部正反饋過程需要時間，陽極電流增長不坑能是瞬時的。從門極電流階躍時刻開始，到陽極電流上升到穩態值的10%，這段時間稱為延遲時間t d, 與此同時陽極與陰極間的壓降也在減小。陽極電流從10%上升到穩態值的90%所需要的時間稱為上升時間
t r，開通時間t gt定義為兩者之和，即t gt= t d+ t r，普通晶閘管的開通時間t gt約為6μs。
      6.1觸發脈沖幅值對晶閘管開通的影響
      普通晶閘管的延遲時間隨門極電流的增大而減小。為了縮短開通時間，常采用實際觸發電流比規定觸發電流大很多。
       例如：觸發脈沖幅值Ig =1A對應的開通時間為2.1μs、Ig =200mA對應的開通時間為3.2μs、Ig =80mA對應的開通時間為20.2μs。
由此可見，晶閘管的門極觸發電流幅值對元件的開通速度有十分明顯的影響，高的門極觸發電流可以明顯降低器件的開通時間。
      6.2觸發脈沖上升時間陡度對晶閘管開通的影響
       開通時間不僅與觸發脈沖的幅值有關，而且和觸發脈沖上升時間的陡度大小有關。當觸發脈沖幅值Ig =500mA時，脈沖上升時間0.5μs，則對應的開通時間為6μs，而脈沖上升時間若為1.5μs，則對應的開通時間為6.3μs。
       由此可見，觸發脈沖上升時間陡度對晶閘管的開通速度也有明顯的影響，觸發脈沖上升時間越長，效果就等于降低了門極觸發電流。觸發脈沖越陡。上升時間越短的情況下，晶閘管的開通時間也越短。
       另外， 如果觸發脈沖不夠寬， 晶閘管就不可能觸發導通。故觸發脈沖的寬度少在6μs以上，一般取20～50μs，對于大電感負載，由于電流上升較慢，觸發脈沖寬度還應加大，否則脈沖終止時主回路電流還未上升到晶閘管的擎住電流IL以上，則晶閘管又重新關斷，所以脈沖寬度不應小于300μs，通常取1ms，相當于50Hz正弦波的18°電角度。

      6.3高壓軟起動中晶閘管的門極觸發標準
      鑒于晶閘管的門極觸發脈沖特性對晶閘管開通過程的影響。好的觸發脈沖可以使器件的開通時間縮短、開通損耗減小。為了保證晶閘管方式高壓軟起動在任何環境下都能安全、可靠的運行，晶閘管方式高壓軟起動的生產廠家在產品中應保證觸發脈沖電流幅值IG遠大于IGT ，脈沖上升時間t r小于1μs ，門極脈沖寬度大于300μs。

      7 結束語
      門極觸發脈沖的幅值和前沿陡度影響晶閘管的導通時間。幅值增大、陡度提高時，器件的開通時間就縮短。縮短開通時間就能減小器件在電路中的開通損耗，對高壓軟起動中的晶閘管的安全運行是有利的。

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      作者簡介
      何曉平，男，電子工程師，研究方向為電力電子及電機拖動。現就職于哈爾濱九洲電氣股份有限公司研發中心。