晶閘管是四層半導體開關(guān)，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(jié)構(gòu)，但可以修改其實現(xiàn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器爆炸。

PCT 用作高壓交流輸入電源轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器、電池充電器、電阻加熱器、照明控制器和工業(yè)電機驅(qū)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(chǎn)生高效率的轉(zhuǎn)換器?；?PCT 的轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)通過設備的功率。

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

PFC 用于具有調(diào)制波形的電源，例如公用電網(wǎng)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?shù)拿}沖寬度調(diào)制不同。要實現(xiàn) PFC，必須知道電源的調(diào)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(diào)制同步。與開關(guān)電源降壓拓撲一樣，PFC 只能產(chǎn)生等于輸入減去轉(zhuǎn)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(guān)和一些高壓電源設計中特別有用

· 具有低開關(guān)損耗的 PCT 適用于橋式整流器和大功率驅(qū)動器。

· 低存儲電荷的 PCT 專為更高頻率的功率轉(zhuǎn)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(guān)。三端雙向可控硅開關(guān)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(guān)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(jié)構(gòu)的設計對于 BTC 實現(xiàn)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?lián)Q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(lián)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(lián)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(shù)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(zhuǎn)換器 (MMC) 的一項關(guān)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(xiàn)晶閘管故障。

在 BT 出現(xiàn)之前，電池端子在故障事件期間使用機械開關(guān)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(guān)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(chǎn)生任何不利影響。

除了最佳的設備設計外，封裝也是實現(xiàn) BT 預期性能水平的關(guān)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(nèi)部留出額外的空間。該空間提供膨脹體積，可降低設備內(nèi)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(xiàn) BT 性能目標的一個重要方面。

IGBT 的非對稱 BT

對于大多數(shù)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(zhuǎn)換器 (VSMC)。它們旨在承受 IGBT 二極管開關(guān)導致的快速電壓瞬變。用于基于 IGBT 的轉(zhuǎn)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(jīng)過優(yōu)化，可轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器中的更高電壓操作。

概括

晶閘管是單向電源開關(guān)，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(shù)。它用于控制輸入交流電源周期內(nèi)設備開啟的相位角，以調(diào)節(jié)從電源轉(zhuǎn)換器的輸入傳輸?shù)捷敵龅碾娏?。已?jīng)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(jīng)開發(fā)出非對稱 BT，以在基于 IBGT 的 VSMC 中實現(xiàn)相同的目的。