晶閘管是四層半導體開關，具有交替的 P 型和 N 型材料層。雖然所有晶閘管都具有相同的基本結構，但可以修改其實現和封裝的細節(jié)以滿足特定應用的需求。

本常見問題解答回顧了相控晶閘管 (PCT) 的基本操作，然后研究了雙向控制晶閘管 (BCT) 和雙向相控晶閘管 (BiPCT) 在公用事業(yè)規(guī)模電力轉換系統(tǒng)中的使用，最后介紹了旁路晶閘管 (BT) 和非對稱 BT，旨在確?？煽窟\行并防止大功率模塊化多電平轉換器爆炸。

PCT 用作高壓交流輸入電源轉換器的相控電流“閥”，主要工作在交流線路頻率，但有時工作頻率高達約 1 kHz。它們可用于電源轉換器、電池充電器、電阻加熱器、照明控制器和工業(yè)電機驅動器。雖然它們可以阻斷非常高的電壓，但它們的導通電阻也非常低，可以產生高效率的轉換器?；?PCT 的轉換器采用相位觸發(fā)控制 (PFC)，有時稱為相位角控制或相位切割，來調節(jié)通過設備的功率。

圖 1：PFC 改變觸發(fā) PCT 的相位角，以調節(jié)通過設備的功率。

PFC 用于具有調制波形的電源，例如公用電網中的正弦交流電。這與用于控制直流電源總線上的功率傳輸的脈沖寬度調制不同。要實現 PFC，必須知道電源的調制頻率和周期。這些信息使得可以在周期的正確點打開晶閘管以傳輸所需的能量。PFC 可以與輸入端的調制同步。與開關電源降壓拓撲一樣，PFC 只能產生等于輸入減去轉換過程中的任何損耗的最大輸出電平。

PCT 應用的激增催生了各種針對各種性能標準(如低傳導損耗、低正向壓降或低存儲電荷)進行優(yōu)化的設備。例如：

· 低傳導損耗的 PCT 在短路器、靜態(tài)開關和一些高壓電源設計中特別有用

· 具有低開關損耗的 PCT 適用于橋式整流器和大功率驅動器。

· 低存儲電荷的 PCT 專為更高頻率的功率轉換應用而設計。

雙向相控晶閘管

雙向控制晶閘管 (BCT) 由兩個集成在同一硅片上且具有獨立柵極觸點的晶閘管組成。BCT 旨在取代高壓應用中的三端雙向可控硅開關。三端雙向可控硅開關可用于高達約 1 kV 的電壓。超過該電壓水平時，三端雙向可控硅開關所需的厚度使得通過單個柵極對設備進行統(tǒng)一控制變得不切實際。柵極結構的設計對于 BTC 實現快速導通和防止組成晶閘管之間的干擾非常重要。該設備需要緊湊，但兩個晶閘管之間需要有足夠的間隔，以防止組合設備被高 dV/dt 值損壞，因為高 dV/dt 值可能會導致換向后不受控制的觸發(fā)。

雙向相控晶閘管 (BiPCT) 的開發(fā)是為了改善 BCT 的工作特性。BiPCT 在單個晶片上有兩個反向并聯配置的晶閘管，每個晶閘管都有單獨的柵極端子(圖 2)。與 BCT 一樣，其中一個柵極接通正向電流，另一個柵極接通反向電流。與 BTC 相比，BiPCT 的優(yōu)勢包括浪涌電流額定值增加、熱阻降低以及通過簡化制造降低成本。除了 BCT 中的柵極設計考慮因素外，BiPCT 還使用兩個反向并聯連接的晶閘管的陽極和陰極區(qū)域的交錯。在設計 BCT 或 BiPCT 時，一個挑戰(zhàn)是要在導通電壓 (V T)和盡可能接近單個 PCT 器件的每個集成器件的恢復電荷 (Q rr )。

圖 2：BiPCT 原理圖符號(左)和等效電路(右)。

使用 BiPCT 具有成本優(yōu)勢，因為有源元件的系統(tǒng)體積更小，緩沖器和控制電路也更小。晶閘管閥組件的簡化可使成本比分立 PCT 降低 30%。由于元件數量較少，基于 BiPCT 的晶閘管閥組件的可靠性應明顯高于基于分立 PCT 的類似組件(假設 BiPCT 具有與 PCT 類似的可靠性)。

旁路晶閘管

可靠性是公用事業(yè)規(guī)模模塊化多電平轉換器 (MMC) 的一項關鍵要求。即使在其中一個模塊發(fā)生故障的情況下，MMC 也有望繼續(xù)運行。BT 是犧牲設備，是專門為滿足這一需求而開發(fā)的。MMC 有望提供串行冗余，并能夠在發(fā)生故障時可靠地釋放電池中存儲的能量并短路電池的端子。高功率 MMC 中存儲的能量通常大到足以破壞傳統(tǒng)晶閘管的外殼，從而導致外部電弧、可能的電容器爆炸或電氣連接斷裂。這些系統(tǒng)中可能會出現晶閘管故障。

在 BT 出現之前，電池端子在故障事件期間使用機械開關短路。機械解決方案會增加解決方案的尺寸和成本，并且可能不可靠。旁路晶閘管的開發(fā)是為了提供更低成本和更強大的選擇。

在正常運行中，BT 處于關閉狀態(tài)，不會影響電池運行。當發(fā)生故障時，BT 會立即打開以處理能量浪涌。在 MMC 應用中，當電池發(fā)生故障時，即使電流高達 363 kA 且 I 2 t 高達 217 MA 2 s，BT 外殼也不會破裂。發(fā)生故障后，BT 可以繼續(xù)作為穩(wěn)定短路運行(使損壞的電池停止運行)一年以上，直到下次定期維護。此時，MMC 斷電，可以更換故障的電池模塊。例如，在發(fā)生故障事件后，典型的 BT 可以傳導 1,300 A rms，電壓降低于 1.75 V rms超過一年，不會產生任何不利影響。

除了最佳的設備設計外，封裝也是實現 BT 預期性能水平的關鍵(圖 3)。在高能放電期間保持封裝完整性需要在陰極極元件內部留出額外的空間。該空間提供膨脹體積，可降低設備內部氣壓，并在故障事件期間改善等離子體的散熱。下圖中，封裝蓋(上方橙色區(qū)域)中顯示了膨脹體積(藍綠色)。此外，陶瓷封裝壁上襯有硅橡膠條(綠色)，有助于防止壁在膨脹體積空間無法吸收的過量等離子體存在時破裂。最后，陶瓷壁和蓋子之間的迷宮式密封為陰極密封法蘭提供了額外的保護。

圖 3：封裝是實現 BT 性能目標的一個重要方面。

IGBT 的非對稱 BT

對于大多數晶閘管，V DRM和 V RRM(最大重復峰值正向和反向阻斷電壓)分別相同。它們被稱為對稱設備，設計用于正常交流電壓。在非對稱 BT 中，V DRM和 V RRM并不相同。這些設備設計用于更高頻率的應用，例如基于 IGBT 模塊的電壓源多級轉換器 (VSMC)。它們旨在承受 IGBT 二極管開關導致的快速電壓瞬變。用于基于 IGBT 的轉換器的非對稱 BT 具有 V DRM1,000 V，VRRM 高達 4,500 V，額定電流超過 3,000 A。晶閘管具有動態(tài)導通電壓，導通時間經過優(yōu)化，可轉移 IGBT 二極管的過大電流。與用于保護晶閘管的 BT 一樣，這些非對稱 BT 支持更小的解決方案和更高的可靠性。它們還支持轉換器中的更高電壓操作。

概括

晶閘管是單向電源開關，已針對各種應用進行了優(yōu)化。PFC 是最常見的晶閘管控制技術。它用于控制輸入交流電源周期內設備開啟的相位角，以調節(jié)從電源轉換器的輸入傳輸到輸出的電量。已經開發(fā)出可以雙向開啟的 BCT 和 BiPTC，以取代受益于雙向功率流的高壓應用中的三端雙向可控硅。BT 在基于大功率晶閘管的 MMC 中用作犧牲設備，以確保即使其中一個單元發(fā)生故障，系統(tǒng)也能持續(xù)運行，并且已經開發(fā)出非對稱 BT，以在基于 IBGT 的 VSMC 中實現相同的目的。