白永恒
西安派瑞功率半导体变流技术股份有限公司 陕西西安 710060
摘要：本文主要通过载流子传输过程与其密度两方面针对晶闸管触发与开通过程展开分析，同时开发设计与MOSFET、单片机相结合在内的强触发电路，促使加快开通速度、脉冲宽度、触发电流强度、任意调节触发电流上升率等功能得以切实实现。并在这一基础之上，通过在实验室搭建晶闸管开通特性试验平台，针对门极触发电流强度展开研究。
关键词：晶闸管；触发强度；载流子
引言：晶闸管由于自身阻断电压高、通流能力强、导通损耗小等优势，在诸如高压直流输电、电磁发射源、固态Marx脉冲源、金属冶炼、电机软启动等领域有着极为广泛的应用。但是，其与电压控制型半导体开关相比较，其开通延时时间较长、开通速度较慢，并且能力损耗也相对较大。
1触发开通过程
晶闸管主要是由pnpn四层结构构件而成，其电极分为阳极、阴极、门极，属于三端电流触发型器件。当晶闸管承受正向阻断电压过程中，以及门极与阴极施加一正脉冲信号后，其便会进入到开通状态之中。在通常情况下，在针对晶闸管状态分析过程中，往往是将其视作为pnp与npn双晶体管组合的类似。流过器件总电流可使用下述公式表示。。其中，与分别为双晶体管集中极保与电流，a1与a2分别为双晶体管电流传输系数，当a1+a2接近1时，电流便随之快速增加，当两个晶体管逐渐趋于饱和时，器件便会进入开通状态。随后，电流幅值则需要根据外电路实际参数而定，但是，若想对晶闸管开通时间与哪一种因素相关加以进一步明确，便需要通过载流子传输与其数量密度变化进行分析。
2实验电路设计
控制信号所产生电路、光纤隔离电路、强触发形成电路等为强触发电路重要构成部分，控制信号所产生电路能够促使外部同步触发与单次手动触发所提出要求皆得到充分满足。通过安检快关对触发产生进行控制，同时由单片机编程对抖动进行消除处理。光纤隔离电路能够促使晶闸管电路与控制电路之间共同干扰加以有效消除，从而切实实现高压隔离与提升触发系统抗干扰能力这一目标。本文所选用光纤型号为ST/WT-PC-DMM-5。其直径为3mm，插入损耗低于0.07dB。强触发形成电路中，当单片机在收到控制信号后，通过事先设定程序产生宽度确认电平信号对光耦合MOS管进行开通，从而将脉冲信号驱动至被测试晶闸管门极与阴极之间。在此触发电路当中，可通过单片机编程促使晶闸管电流脉宽调节得以切实实现，同时，变阻器经过调节与门极串联，能够对触发电流幅值加以调节，最终将强触发电路所输出触发电流幅值控制于0.5A至80A这一范围之内[2]。
3实验结果与分析
3.1触发电流幅值对开通时间的影响
由上文所述不难看出，延迟时间会伴随触发电流幅值增加而下降，并逐渐趋于饱和状态，即为在触发电流在0.5A至5A之间时，延迟时间缩短较为显著，并会伴随触发电流强度增加而进一步延长，最终达到饱和值，同时，晶闸管在开通时的上升时间并不会伴随触发电流强度增加而产生显著变化。针对晶闸管开通延迟时间伴随触发电流幅值变化这一情况可将其视作为：当电子达到一定数量密度注入到晶闸管门极后，其首先会在门极内部扩散，在穿越空间电荷区后，在经过电场加速时，便会令空穴当中在此注入与漂移，直至晶闸管当中管芯被载流子贯通，此时，晶闸管开关便会处于完全开通状态。
当触发电流较大时，电子初始数量与密度也会处于较高状态，不论是在穿越空间电荷区电子过程中，亦或引发空穴再注入数量与密度皆会大于触发电流，并且，载流子基准数量密度的反馈也会伴随其提升而逐渐减少，并且能够促使开通条件在最短时间内得到充分满足，同时在这一过程中，对晶闸管开通延迟时间加以充分体现，故而，延迟时间会伴随触发电流增加而逐渐缩小[3]。
3.2触发电流上升率对开通时间的影响
触发电流上升率极为上升陡度对晶闸管开通时间的影响，在这一过程中，触发电流幅值自身大小对于初始注入电子数量密度有着决定性影响，并且，其陡度则与电子注入过程中的速度与效率有着最为直接的关联。因此，前期对于晶闸管开通延迟时间有着较大影响。通过试验，本文将触发电流幅值确定为10A，脉宽为150s，晶闸管工作电压为500v，触发电流上升率调节方式为由小至大，得出延迟时间为3.1S。
3.3工作电压对开通时间的影响
由上文可知，晶闸管开通时间会伴随工作电压升高而呈现出线性下降趋势，当强触发电路串联电阻为5Ω、触发电流幅值为40A时，处于不同工作电压下的晶闸管开通波形会受到统一规划处理。当工作电压较低时，晶闸管开通时间便会延长，而伴随工作电压不断提升，晶闸管开通时间也会逐渐缩短。这一现象表明，晶闸管开通时间与载流子在基区的漂移时间有着最为直接的关联。以电场漂移理论为基础，当电场强度小于103V/m时，载流子漂移速度会以线性关系与电场强度相关联。载流子漂移速率会伴随基区电场增强而增加，因此，在相同条件下，基区漂移时间便会算多，从而有效缩短导通时间。而若工作电压越强，则基区电场强度便愈大，电子在基区当中的偏移速度也就越快，从而缩短导通时间。除此之外，当强触发电路串联电子为5Ω，工作电压为1500V时，晶闸管开通时间会伴随触发电流幅值增长而逐渐减小，通过对晶闸管开通时间、触发电流、工作电压关系等方面的对比可以得出：晶闸管开通时间可分为两部分，分别为延迟时间与导通时间，其中，延迟时间主要以触发电流幅值为依托，并且，其会伴随触发电流幅值的增加而减小。而导通时间则主要受到工作电压影响，岂会伴随工作电压提升而逐渐削减[4]。
3.4不同光刻板对晶闸管开通时间的影响
本文实验所显光刻板分别为T型与Y型，，并且针对晶闸管门极区对开通时间的作用通过三方面进行分析，分别为中心门极面积、放大门极周长、门极附近短路点。其中，在中心门极面积这一方面，门极触发电流与载流子注入速度以及其亏算数量与速度受到中心门极区域直接影响，因此，得出结论：门极器件越大，晶闸管开通速度便越快。其次，在放大门极周长职业方面当中，其初始导通面积受到放大门极直接影响，若门极周长较大，则导通面积便愈大，但是，门极面积大小也与触发能损耗有着直接关联。最后，在门极附近短路点这一方面，门极周边短路点越少，对晶闸管开通时间缩短有效性便于强，从而促使初始面积与加速元件电流上身速度得到大幅度提升。
结束语：
综合上文所述，经过上文实验交过表明，通过增大触发电流强度与其上升率能够促使晶闸管在开通时显著减缓延缓时间，并令延迟时间逐渐减小至饱和状态；通过加大晶闸管工作电压，能够同时减小晶闸管开通延迟与上升时间。通过试验结果不难看出，载流子扩散作用受到触发电流直接影响，故而其对于晶闸管开通延迟时间有着决定性作用；工作电压能够对载流子漂移速度直接产生影响，并且能够决定其上升时间。在门极实验当中，实验结果表明：中心门极有效作用面积对于缩短晶闸管开通延迟时间缩短而言有着诸多裨益；通过对门极周长放大，能够显著减缓晶闸管开通上升时间。
参考文献：
[1]刘琦, 刘飞超, 王潇,等. 晶闸管换流阀高电位控制板触发电路的对比分析[J]. 电工技术, 2018(15):9-11.
[2]杨洁, 王彪, 王平平. ESD作用下晶闸管dV/dt触发导通规律研究[J]. 电波科学学报, 2019, 34(04):512-517.
[3]陈冲, 杜元生, 马静,等. 脉冲电源中晶闸管触发系统设计[J]. 科技创新与应用, 2020, 304(12):90-92+95.