相控、雙向和旁路晶閘管如何工作？

晶閘管是四層半導(dǎo)體開(kāi)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(shí)現(xiàn)和封裝的細(xì)節(jié)以滿足特定應(yīng)用的需求。

本常見(jiàn)問(wèn)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(duì)稱 BT，旨在確?？煽窟\(yùn)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(shí)工作頻率高達(dá)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(jī)驅(qū)動(dòng)器。雖然它們可以阻斷非常高的電壓，但它們的導(dǎo)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(shí)稱為相位角控制或相位切割，來(lái)調(diào)節(jié)通過(guò)設(shè)備的功率。

圖 1：PFC 改變觸發(fā) PCT 的相位角，以調(diào)節(jié)通過(guò)設(shè)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(shí)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(diǎn)打開(kāi)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(kāi)關(guān)電源降壓拓?fù)湟粯樱琍FC 只能產(chǎn)生等于輸入減去轉(zhuǎn)換過(guò)程中的任何損耗的最大輸出電平。

PCT 應(yīng)用的激增催生了各種針對(duì)各種性能標(biāo)準(zhǔn)(如低傳導(dǎo)損耗、低正向壓降或低存儲(chǔ)電荷)進(jìn)行優(yōu)化的設(shè)備。例如：

· 低傳導(dǎo)損耗的 PCT 在短路器、靜態(tài)開(kāi)關(guān)和一些高壓電源設(shè)計(jì)中特別有用

· 具有低開(kāi)關(guān)損耗的 PCT 適用于橋式整流器和大功率驅(qū)動(dòng)器。

· 低存儲(chǔ)電荷的 PCT 專為更高頻率的功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用而設(shè)計(jì)。

雙向相控晶閘管

雙向控制晶閘管 (BCT) 由兩個(gè)集成在同一硅片上且具有獨(dú)立柵極觸點(diǎn)的晶閘管組成。BCT 旨在取代高壓應(yīng)用中的三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)。三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)可用于高達(dá)約 1 kV 的電壓。超過(guò)該電壓水平時(shí)，三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)所需的厚度使得通過(guò)單個(gè)柵極對(duì)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一控制變得不切實(shí)際。柵極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)于 BTC 實(shí)現(xiàn)快速導(dǎo)通和防止組成晶閘管之間的干擾非常重要。該設(shè)備需要緊湊，但兩個(gè)晶閘管之間需要有足夠的間隔，以防止組合設(shè)備被高 dV/dt 值損壞，因?yàn)楦?dV/dt 值可能會(huì)導(dǎo)致?lián)Q向后不受控制的觸發(fā)。

雙向相控晶閘管 (BiPCT) 的開(kāi)發(fā)是為了改善 BCT 的工作特性。BiPCT 在單個(gè)晶片上有兩個(gè)反向并聯(lián)配置的晶閘管，每個(gè)晶閘管都有單獨(dú)的柵極端子(圖 2)。與 BCT 一樣，其中一個(gè)柵極接通正向電流，另一個(gè)柵極接通反向電流。與 BTC 相比，BiPCT 的優(yōu)勢(shì)包括浪涌電流額定值增加、熱阻降低以及通過(guò)簡(jiǎn)化制造降低成本。除了 BCT 中的柵極設(shè)計(jì)考慮因素外，BiPCT 還使用兩個(gè)反向并聯(lián)連接的晶閘管的陽(yáng)極和陰極區(qū)域的交錯(cuò)。在設(shè)計(jì) BCT 或 BiPCT 時(shí)，一個(gè)挑戰(zhàn)是要在導(dǎo)通電壓 (V T)和盡可能接近單個(gè) PCT 器件的每個(gè)集成器件的恢復(fù)電荷 (Q rr )。

圖 2：BiPCT 原理圖符號(hào)(左)和等效電路(右)。

使用 BiPCT 具有成本優(yōu)勢(shì)，因?yàn)橛性丛南到y(tǒng)體積更小，緩沖器和控制電路也更小。晶閘管閥組件的簡(jiǎn)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(yīng)明顯高于基于分立 PCT 的類似組件(假設(shè) 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(xiàng)關(guān)鍵要求。即使在其中一個(gè)模塊發(fā)生故障的情況下，MMC 也有望繼續(xù)運(yùn)行。BT 是犧牲設(shè)備，是專門為滿足這一需求而開(kāi)發(fā)的。MMC 有望提供串行冗余，并能夠在發(fā)生故障時(shí)可靠地釋放電池中存儲(chǔ)的能量并短路電池的端子。高功率 MMC 中存儲(chǔ)的能量通常大到足以破壞傳統(tǒng)晶閘管的外殼，從而導(dǎo)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(huì)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(jī)械開(kāi)關(guān)短路。機(jī)械解決方案會(huì)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(kāi)發(fā)是為了提供更低成本和更強(qiáng)大的選擇。

在正常運(yùn)行中，BT 處于關(guān)閉狀態(tài)，不會(huì)影響電池運(yùn)行。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，BT 會(huì)立即打開(kāi)以處理能量浪涌。在 MMC 應(yīng)用中，當(dāng)電池發(fā)生故障時(shí)，即使電流高達(dá) 363 kA 且 I 2 t 高達(dá) 217 MA 2 s，BT 外殼也不會(huì)破裂。發(fā)生故障后，BT 可以繼續(xù)作為穩(wěn)定短路運(yùn)行(使損壞的電池停止運(yùn)行)一年以上，直到下次定期維護(hù)。此時(shí)，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(dǎo) 1,300 A rms，電壓降低于 1.75 V rms超過(guò)一年，不會(huì)產(chǎn)生任何不利影響。

除了最佳的設(shè)備設(shè)計(jì)外，封裝也是實(shí)現(xiàn) BT 預(yù)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(shè)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(lán)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(wú)法吸收的過(guò)量等離子體存在時(shí)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(hù)。

圖 3：封裝是實(shí)現(xiàn) BT 性能目標(biāo)的一個(gè)重要方面。

IGBT 的非對(duì)稱 BT

對(duì)于大多數(shù)晶閘管，V DRM和 V RRM(最大重復(fù)峰值正向和反向阻斷電壓)分別相同。它們被稱為對(duì)稱設(shè)備，設(shè)計(jì)用于正常交流電壓。在非對(duì)稱 BT 中，V DRM和 V RRM并不相同。這些設(shè)備設(shè)計(jì)用于更高頻率的應(yīng)用，例如基于 IGBT 模塊的電壓源多級(jí)轉(zhuǎn)換器 (VSMC)。它們旨在承受 IGBT 二極管開(kāi)關(guān)導(dǎo)致的快速電壓瞬變。用于基于 IGBT 的轉(zhuǎn)換器的非對(duì)稱 BT 具有 V DRM1,000 V，VRRM 高達(dá) 4,500 V，額定電流超過(guò) 3,000 A。晶閘管具有動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電壓，導(dǎo)通時(shí)間經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可轉(zhuǎn)移 IGBT 二極管的過(guò)大電流。與用于保護(hù)晶閘管的 BT 一樣，這些非對(duì)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(kāi)關(guān)，已針對(duì)各種應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。PFC 是最常見(jiàn)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(shè)備開(kāi)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(kāi)發(fā)出可以雙向開(kāi)啟的 BCT 和 BiPTC，以取代受益于雙向功率流的高壓應(yīng)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(shè)備，以確保即使其中一個(gè)單元發(fā)生故障，系統(tǒng)也能持續(xù)運(yùn)行，并且已經(jīng)開(kāi)發(fā)出非對(duì)稱 BT，以在基于 IBGT 的 VSMC 中實(shí)現(xiàn)相同的目的。