Infineon晶閘管功率模塊

高壓直流輸電（HVDC）是晶閘管的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。與交流輸電相比，HVDC在長(zhǎng)距離輸電、海底電纜輸電和異步電網(wǎng)互聯(lián)中具有明顯的優(yōu)勢(shì)，而晶閘管是HVDC換流站的重要器件。在HVDC系統(tǒng)中，晶閘管主要用于構(gòu)成換流器，包括整流器和逆變器。整流器將三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電，逆變器則將直流電還原為交流電。傳統(tǒng)的HVDC換流器多采用12脈動(dòng)橋結(jié)構(gòu)，每個(gè)橋由6個(gè)晶閘管串聯(lián)組成，通過(guò)精確控制晶閘管的觸發(fā)角，可實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電壓和功率的調(diào)節(jié)。晶閘管在HVDC中的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)包括：高耐壓能力（單個(gè)晶閘管可承受數(shù)千伏電壓）、大電流容量（可達(dá)數(shù)千安培）、可靠性高（使用壽命長(zhǎng)）和成本效益好。例如，中國(guó)的特高壓直流輸電工程（如±800kV云廣直流工程）采用了大量光控晶閘管（LTT），單閥組額定電壓達(dá)800kV，額定電流達(dá)4000A，傳輸容量超過(guò)5000MW。然而，晶閘管在HVDC中的應(yīng)用也面臨挑戰(zhàn)。由于晶閘管屬于半控型器件，關(guān)斷依賴(lài)電流過(guò)零，因此在故障情況下的快速滅弧能力較弱。為解決這一問(wèn)題，現(xiàn)代HVDC系統(tǒng)引入了混合式換流器技術(shù)，將晶閘管與全控型器件（如IGBT）結(jié)合，提高系統(tǒng)的故障穿越能力和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。 晶閘管模塊的通態(tài)電流容量從幾安培到數(shù)千安培不等，滿足多種應(yīng)用需求。Infineon晶閘管功率模塊

為了確保單向晶閘管在工作過(guò)程中的安全性和可靠性，必須設(shè)計(jì)完善的保護(hù)電路。過(guò)電壓保護(hù)電路能夠防止晶閘管因承受過(guò)高的電壓而損壞。常見(jiàn)的過(guò)電壓保護(hù)措施有阻容吸收電路和壓敏電阻保護(hù)。阻容吸收電路利用電容和電阻的組合，在過(guò)電壓出現(xiàn)時(shí)吸收能量，限制電壓的上升率。壓敏電阻則在電壓超過(guò)其擊穿電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻狀態(tài)，將過(guò)電壓能量釋放掉。過(guò)電流保護(hù)電路用于防止晶閘管因過(guò)大的電流而燒毀。常用的過(guò)電流保護(hù)方法有快速熔斷器保護(hù)、過(guò)電流繼電器保護(hù)和電子保護(hù)電路?？焖偃蹟嗥髂軌蛟陔娐烦霈F(xiàn)短路等故障時(shí)迅速熔斷，切斷電路，保護(hù)晶閘管。在設(shè)計(jì)保護(hù)電路時(shí)，需要根據(jù)晶閘管的額定參數(shù)和實(shí)際工作環(huán)境，合理選擇保護(hù)元件的參數(shù)，以確保保護(hù)電路的有效性。 貼片型晶閘管模塊晶閘管常用于交流調(diào)壓器，如舞臺(tái)燈光控制。

單向晶閘管（SCR）與可控硅的關(guān)系

晶閘管根據(jù)結(jié)構(gòu)與特性分類(lèi)，可分為單向晶閘管、雙向晶閘管。單向晶閘管（SCR）是**基礎(chǔ)的晶閘管類(lèi)型，早期被稱(chēng)為“可控硅”。它*允許電流從陽(yáng)極流向陰極，適用于直流或單向交流電路。SCR的典型應(yīng)用包括整流器、逆變器和固態(tài)繼電器。其名稱(chēng)“可控硅”源于硅材料和對(duì)導(dǎo)通的可控性，但現(xiàn)代術(shù)語(yǔ)中，“晶閘管”涵蓋更廣，SCR*為子類(lèi)。SCR的缺點(diǎn)是關(guān)斷依賴(lài)外部條件，因此在需要快速開(kāi)關(guān)的場(chǎng)合需搭配輔助電路。

單向晶閘管的觸發(fā)電路需要為門(mén)極提供合適的觸發(fā)脈沖，以確保器件可靠導(dǎo)通。觸發(fā)電路主要有阻容觸發(fā)、單結(jié)晶體管觸發(fā)、集成觸發(fā)電路等類(lèi)型。阻容觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，它利用電容充放電來(lái)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，但脈沖寬度和相位控制精度較差。單結(jié)晶體管觸發(fā)電路能夠輸出前沿陡峭的脈沖，適用于中小功率的晶閘管電路。集成觸發(fā)電路如KJ004、TC787等，具有可靠性高、觸發(fā)精度高、溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。設(shè)計(jì)觸發(fā)電路時(shí)，需要考慮觸發(fā)脈沖的幅度、寬度、前沿陡度以及與主電路的同步問(wèn)題。例如，在三相橋式全控整流電路中，觸發(fā)脈沖必須與三相電源同步，以保證晶閘管在正確的時(shí)刻導(dǎo)通，從而獲得穩(wěn)定的直流輸出。 晶閘管模塊的觸發(fā)方式包括電流觸發(fā)、光觸發(fā)和電壓觸發(fā)等。

由于在雙向可控硅的主電極上，無(wú)論加以正向電壓或是反向電壓，也不管觸發(fā)信號(hào)是正向還是反向，它都能被觸發(fā)導(dǎo)通，因此它有以下四種觸發(fā)方式：(1)當(dāng)主電極T2對(duì)Tl所加的電壓為正向電壓，控制極G對(duì)***電極Tl所加的也是正向觸發(fā)信號(hào)。雙向可控硅觸發(fā)導(dǎo)通后，電流I2l的方向從T2流向T1。由特性曲線可知，這時(shí)雙向可控硅觸發(fā)導(dǎo)通規(guī)律是按***象限的特性進(jìn)行的，又因?yàn)橛|發(fā)信號(hào)是正向的，所以把這種觸發(fā)叫做“***象限的正向觸發(fā)”或稱(chēng)為I+觸發(fā)方式。(2)如果主電極T2仍加正向電壓，而把觸發(fā)信號(hào)改為反向信號(hào)，這時(shí)雙向可控硅觸發(fā)導(dǎo)通后，通態(tài)電流的方向仍然是從T2到T1。我們把這種觸發(fā)叫做“***象限的負(fù)觸發(fā)”或稱(chēng)為I-觸發(fā)方式。(3)兩個(gè)主電極加上反向電壓U12，輸入正向觸發(fā)信號(hào)，雙向可控硅導(dǎo)通后，通態(tài)電流從T1流向T2。雙向可控硅按第三象限特性曲線工作，因此把這種觸發(fā)叫做Ⅲ+觸發(fā)方式。 (4)兩個(gè)主電極仍然加反向電壓U12，輸入的是反向觸發(fā)信號(hào)，雙向可控硅導(dǎo)通后，通態(tài)電流仍從T1流向T2。這種觸發(fā)就叫做Ⅲ-觸發(fā)方式。 雙向可控硅雖然有以上四種觸發(fā)方式，但由于負(fù)信號(hào)觸發(fā)所需要的觸發(fā)電壓和電流都比較小。工作比較可靠，因此在實(shí)際使用時(shí)，負(fù)觸發(fā)方式應(yīng)用較多。晶閘管的失效模式包括過(guò)熱燒毀、電壓擊穿等。中國(guó)香港揚(yáng)杰晶閘管

晶閘管的觸發(fā)電路需匹配門(mén)極特性以提高可靠性。Infineon晶閘管功率模塊

晶閘管（Thyristor）是一種具有四層PNPN結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體功率器件，由三個(gè)PN結(jié)組成，包含陽(yáng)極（A）、陰極（K）和門(mén)極（G）三個(gè)端子。其工作原理基于PN結(jié)的正向偏置與反向偏置特性：當(dāng)門(mén)極施加正向觸發(fā)脈沖時(shí)，晶閘管從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)，此后即使撤去觸發(fā)信號(hào)，仍保持導(dǎo)通，直至陽(yáng)極電流低于維持電流或施加反向電壓。晶閘管的**特性包括：?jiǎn)蜗驅(qū)щ娦浴⒖煽赜|發(fā)特性、高耐壓與大電流容量、低導(dǎo)通損耗等。其導(dǎo)通狀態(tài)下的壓降通常在1-2V之間，遠(yuǎn)低于機(jī)械開(kāi)關(guān)，因此適用于高功率場(chǎng)景。此外，晶閘管的關(guān)斷必須依賴(lài)外部電路條件（如電流過(guò)零或反向電壓），這一特性使其在交流電路中應(yīng)用時(shí)需特別設(shè)計(jì)換流電路。在實(shí)際應(yīng)用中，晶閘管的觸發(fā)方式分為電流觸發(fā)、光觸發(fā)和溫度觸發(fā)等，其中電流觸發(fā)**為常見(jiàn)。觸發(fā)脈沖的寬度、幅度和上升沿對(duì)晶閘管的可靠觸發(fā)至關(guān)重要，一般要求觸發(fā)脈沖寬度大于晶閘管的開(kāi)通時(shí)間（通常為幾微秒至幾十微秒）。 Infineon晶閘管功率模塊