普通晶闸管不能在较高的频率下工作。因为器件的导通或关断需要一定时间,同时阳极电压上升速度太快时,会使元件误导通;阳极电流上升速度太快时,会烧毁元件。人们在制造工艺和结构上采取了一些改进措施,做出了能适应于高频应用的晶闸管模块,我们将它称为快速晶闸管模块。它具有以下几个特点。
一、关断时间(toff)短
导通的晶闸管模块,当切断正向电流时。并不能马上"关断",这时如立即加上正向电压,它还会继续导通。从切断正向电流直到控制极恢复控制能力需要的时间,叫做关断时间。用t0仟表示。
晶闸管的关断过程,实际上是储存载流子的消失过程。为了加速这种消失过程,制造快速晶闸管时采用了掺金工艺,把金掺到硅中减少基区少数载流子的寿命。硅中掺金量越多,t0仟越小,但掺金量过多会影响元件的其它性能。
二、导通速度快.能耐较高的电流上升率(di/dt)
控制极触发导通的晶闸管模块。总是在靠近控制极的阴极区域首先导通,然后逐渐向外扩展,直到整个面积导通。大面积的晶闸管模块需要50~100微秒以上才能全 面积导通。初始导通面积小时,必须限制初始电流的上升速度,否则将发生局部过热现象,影响元件的性能,甚至烧坏。高频工作时这种现象更为严重。为此,仿造了集成电路的方法,在晶闸管同一硅片上做出一个放大触发信号用的小晶闸管。控制极触发小晶闸管模块后,小晶闸管模块的初始导通电流将横向经过硅片流向主晶闸管阴极,触发主晶闸管。从而实际强触发,加速了元件的导通,提高了耐电流上升率的能力。
三、能耐较高的电压上升率(dv/dt)
晶闸管模块是由三个p-n结组成的。每个结相当于一个电容器。结电压急剧变化时,就有很大的位移电流流过元件,它等效于控制极触发电流的作用。可能使晶闸管模块误导通。这就是普通晶闸管模块不能耐高电压上升率的原因。
为了有效防止上述误导通现象发生,快速晶闸管模块采取了短路发射结结构。把阴极和控制极按一定几何形状短路。这样一来,即使电压上升率较高,晶闸管模块的电流放大系数仍几乎为零,不致使晶闸管模块误导通。只是在电压上升率进一步提高,结电容位移电流进一步增大,在短路点上产生电压降足够大时,晶闸管模块才能导通。
具有短路发射结结构的晶闸管模块,用控制极电流触发时,控制极电流首先也是从短路点流向阴极。只是当控制极电流足够大,在短路点电阻上的电压降足够大,pn结正偏导通电流时,才同没有短路发射结的元件一样,可被触发导通。因此,快速晶闸管模块的抗干扰能力较好。
快速晶闸管模块的生产和应用都进展很快。目前,已有了电流几百安培、耐压1千余伏,关断时间仅为20微妙的大功率快速晶闸管模块,同时还做出了工作频率可达几十千赫兹供高频逆变用的元件。其产品主要应用于大功率直流开关、大功率中频感应加热电源、超声波电源、激光电源、雷达调制器及直流电动车辆调速等领域。
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