摘 要：本文详细介绍了高压软起动中晶闸管的门极触发对晶闸管开通特性的影响。
关键词：晶闸管，门极，触发，电压，电流，脉冲；
Abstract: This paper describes a high-voltage soft starter in the thyristor gate trigger characteristics of thyristor opening.
Key words: thyristor，gate，trigger，voltage，current，pulse；

1 引言
晶闸管是一种电流控制型的双极型半导体器件。因此，晶闸管的门极要求其驱动单元能够向晶闸管的门极提供一个极其陡峭的尖峰电流脉冲信号。以此来保证在各种可能的工作条件下均能可靠的触发晶闸管。
晶闸管的门极触发脉冲对晶闸管的通断的影响非常大，所以要求晶闸管的门极驱动单元所送出的触发电压和电流，必须大于元件门极规定的触发电压UGT与触发电流IGT的最大值，并且留有足够的余量。
在实际应用中，许多晶闸管方式高压软起动的生产厂家给出触发脉冲信号的值都处于临界状态。所以当遇到一些极其恶劣的工作环境，就会导致晶闸管不能可靠触发。

2 晶闸管简介
晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅；1957年美国通用电器公司开发出世界上第一晶闸管产品，并于1958年使其商业化；晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极；晶闸管工作条件为：加正向电压且门极有触发电流。其派生器件有：快速晶闸管，双向晶闸管，逆导晶闸管，光控晶闸管等。它是一种大功率开关型半导体器件，在电路中用文字符号为“V”、“VT”表示（旧标准中用字母“SCR”表示），示意于图1。

图1 晶闸管的符号

晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。

3 晶闸管的工作条件
由于晶闸管只有导通和关断两种工作状态,所以它具有开关特性,这种特性需要一定的条件才能转化,此条件如表1所示。

4 晶闸管主要参数
4.1晶闸管的电流主要参数
（1）维持电流IH
在室温下，控制极开路时，维持晶闸管继续导通所必须的最小电流，称为维持电流。当正向电流小于IH值时，晶闸管就自行关断。IH值一般为几十至几百多毫安。它与结温有关，结温越高，则IH越小，晶闸管越难关断。
（2） 掣住电流IL
IL是晶闸管刚从阻断状态转变为导通状态并撤除门极触发信号之后，能维持晶闸管导通所需的最小阳极电流称为掣住电流。掣住电流的数值与工作条件有关，一般掣住电流IL是维持电流IH的2～4倍。
4.2晶闸管的门极主要参数
（1）门极触发电流IGT
门极触发电流IGT,是指在规定环境温度和晶闸管阳极与阴极之间为最小值电压6V的条件下，使晶闸管从阻断状态转变为导通状态所需要的最小门极直流电流。
（2）门极触发电压VGT
门极触发电压VGT,是指在规定的环境温度和晶闸管阳极与阴极之间为一定值正向电压的条件下，使晶闸管从阻断状态转变为导通状态所需要的最小门极直流电压，一般为1.5V左右。
由于晶闸管门极伏安特性的分散性很大，标准只规定了IGT和VGT的下限，选用器件时，应注意产品合格证上标明的实测参数值。应使触发单元送给门极的电流和电压适当的大于晶闸管出厂合格证上所列的数值，但不应该超过其峰值IFGM和UFGM。门极平均功率PG和最大功率PGM也不应该超过规定值。

5 门极伏安特性
晶闸管的门极与阴极之间存在着一个PN结J3,见图2。门极伏安特性就是指这个PN结上正向门极电压Ug与门极电流Ig间的关系，见图3。

图2 晶闸管的双晶体管模型

由于晶闸管的门极的伏安特性很分散，无法找到一条典型的代表曲线，只能用一条极限高阻门极特性和一条极限低阻门极特性之间的一片区域来代表所有晶闸管的门极伏安特性，如图3阴影区域所示，此区域称为门极伏安特性区域。这个区域为可靠触发区，对于正常使用的晶闸管，其门极触发电流和电压都应该处于这个区域内。可靠触发区就是由门极正向峰值电流IFGM、允许的瞬时最大功率PGM和正向峰值电压UFGM划定的区域。

图3 晶闸管门极伏安特性

因此在设计触发电路时，触发电路产生的触发脉冲，其电压和电流必须大于相应的晶闸管的门极触发电压和电流，才能保证一个合格的晶闸管都能正常工作。

6 触发脉冲对对晶闸管开通的影响
晶闸管的触发是有一个过程的，也就是晶闸管的导通需要一定的时间，不是一触即通，只有当晶闸管的阳极电流即主回路电流上升到晶闸管的擎住电流IL以上时，管子才能导通。
由于晶闸管内部正反馈过程需要时间，阳极电流增长不坑能是瞬时的。从门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%，这段时间称为延迟时间t d, 与此同时阳极与阴极间的压降也在减小。阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需要的时间称为上升时间
t r，开通时间t gt定义为两者之和，即t gt= t d+ t r，普通晶闸管的开通时间t gt约为6μs。
6.1触发脉冲幅值对晶闸管开通的影响
普通晶闸管的延迟时间随门极电流的增大而减小。为了缩短开通时间，常采用实际触发电流比规定触发电流大很多。
例如：触发脉冲幅值Ig =1A对应的开通时间为2.1μs、Ig =200mA对应的开通时间为3.2μs、Ig =80mA对应的开通时间为20.2μs。
由此可见，晶闸管的门极触发电流幅值对元件的开通速度有十分明显的影响，高的门极触发电流可以明显降低器件的开通时间。
6.2触发脉冲上升时间陡度对晶闸管开通的影响
开通时间不仅与触发脉冲的幅值有关，而且和触发脉冲上升时间的陡度大小有关。当触发脉冲幅值Ig =500mA时，脉冲上升时间0.5μs，则对应的开通时间为6μs，而脉冲上升时间若为1.5μs，则对应的开通时间为6.3μs。
由此可见，触发脉冲上升时间陡度对晶闸管的开通速度也有明显的影响，触发脉冲上升时间越长，效果就等于降低了门极触发电流。触发脉冲越陡。上升时间越短的情况下，晶闸管的开通时间也越短。
另外， 如果触发脉冲不够宽， 晶闸管就不可能触发导通。故触发脉冲的宽度少在6μs以上，一般取20～50μs，对于大电感负载，由于电流上升较慢，触发脉冲宽度还应加大，否则脉冲终止时主回路电流还未上升到晶闸管的擎住电流IL以上，则晶闸管又重新关断，所以脉冲宽度不应小于300μs，通常取1ms，相当于50Hz正弦波的18°电角度。

6.3高压软起动中晶闸管的门极触发标准
鉴于晶闸管的门极触发脉冲特性对晶闸管开通过程的影响。好的触发脉冲可以使器件的开通时间缩短、开通损耗减小。为了保证晶闸管方式高压软起动在任何环境下都能安全、可靠的运行，晶闸管方式高压软起动的生产厂家在产品中应保证触发脉冲电流幅值IG远大于IGT ，脉冲上升时间t r小于1μs ，门极脉冲宽度大于300μs。

7 结束语
门极触发脉冲的幅值和前沿陡度影响晶闸管的导通时间。幅值增大、陡度提高时，器件的开通时间就缩短。缩短开通时间就能减小器件在电路中的开通损耗，对高压软起动中的晶闸管的安全运行是有利的。

参考文献
[1] 黄俊，王兆安．电力电子变流技术[M]．机械工业出版社，2004：6-20.
[2] 王毅，赵凯岐 ，徐殿国．电机软起动控制系统中功率因数角的研究 [J]．中国电机工程学报 ，2002 (8)：82—87．
[3] 许实章．电机学[M]．3版．北京：机械工业出版社，1996．
[4] 许宏纲.软起动器原理及应用[J].能源技术,2002(6):132—135．
[5] 王玉峰,马广程,王常虹等.晶闸管控制感应电机起动过程中振荡现象研究[J]．电机与控制学报,2002,6(3):186—190．

作者简介
何晓平，男，电子工程师，研究方向为电力电子及电机拖动。现就职于哈尔滨九洲电气股份有限公司研发中心。