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1.8 晶闸管额定值

在本SCR教程中，我们将学习一些重要的SCR额定值。这些额定值包括电压、电流、功率、温度、导通时间、关断时间等。

引言​

在所有工作条件下，只有在不超过其额定值的情况下运行，才能确保SCR的可靠运行。每个晶闸管或SCR都是按照特定的电流、电压、功率、温度和开关频率限制制造的，它们可以在这些限制内可靠运行。

这些被称为额定值，它们是可以设定SCR能力极限的最小值或最大值。即使短时间内超过这些限制，也可能导致SCR出现故障或损坏。

因此，为了用户的利益，制造商列出了一系列电流、电压、功率、温度额定值等。这些额定值对于正确将SCR应用于各种电力电子电路中至关重要。在实践中，通常选择额定值高于所需工作额定值的SCR，以提供安全裕度。

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这些额定值可以是连续的、非重复的或浪涌和重复的额定值。根据单向或双向器件，连续额定值以均方根（RMS）或平均值表示。浪涌和重复额定值对应于SCR的峰值。

因此，让我们简要讨论一下SCR的各种额定值。不同的电压和电流额定值附有一个或多个下标，以便于识别。第一个下标表示SCR的状态，包括：

  • F - 正向偏置
  • R - 反向偏置
  • T - 导通状态
  • D - 门极开路时的正向阻断状态

第二个下标表示工作值，分别是：

  • T - 触发
  • S - 浪涌或非重复值
  • R - 重复值
  • W - 工作值

SCR的电压额定值​

在运行过程中，即使在短时间内，SCR的电压能力也不应被超过。因此，SCR被分配了不同的电压额定值，这些是SCR在不发生结击穿的情况下可以正常工作的最大电压。这些额定值被分配在SCR的两种阻断状态下，并且能够承受电压瞬变。SCR的各种电压额定值如下：

峰值工作正向阻断电压 VDWMV_{DWM}
它规定了SCR两端正向阻断电压的最大瞬时值，不包括所有浪涌和重复瞬态电压。超过这个电压值，SCR在其运行过程中将无法承受。这个 VDWM V_{DWM} 等于图中所示电源电压波的最大值。

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峰值重复正向阻断电压 VDRMV_{DRM}
这是SCR在正向阻断状态下可以反复或周期性阻断的最大瞬态电压。这在阴极和门极之间有特定的偏置电阻或在门极电路开路时的最大允许结温下指定。

当SCR关断或换流，或由于整流电路中的二极管时，这个电压 VDRMV_{DRM} 会出现在SCR两端。在关断过程中，反向恢复电流的突然变化会导致电压尖峰的产生，这就是 VDRMV_{DRM} 出现在SCR两端的原因。

峰值非重复或浪涌正向阻断电压 VDSMV_{DSM}
这是SCR两端正向浪涌电压的最大瞬时值，是非重复的。这个 VDSMV_{DSM} 小于正向转折电压 VBOV_{BO}，其值约为 VDRMV_{DRM} 的130%。

峰值工作反向电压 VRWMV_{RWM}
这是SCR两端反向电压的最大瞬时值，不包括所有浪涌和重复瞬态电压。这个 VRWMV_{RWM} 等于图中所示电源电压波的最大负值。

峰值重复反向电压 VRRMV_{RRM}
这是SCR在反向方向上反复或周期性出现的最大反向瞬态电压，在允许的最大结温下。超过这个额定值，由于过高的结温，SCR可能会损坏。这个电压也因与 VDRMV_{DRM} 相同的原因而出现。

峰值非重复或浪涌反向电压 VRSMV_{RSM}
它指的是SCR两端非重复的反向瞬态电压的最大值。这个 VRSMV_{RSM} 小于反向转折电压 VBRV_{BR} ，其值约为 VRRMV_{RRM} 的130%。通过将一个与SCR电流额定值相等的二极管与SCR串联，可以提高浪涌电压额定值 VDSMV_{DSM} 和 VRSMV_{RSM}。

上述讨论的电压额定值属于SCR能够承受的正向和反向阻断状态，且门极处于开路状态。

导通状态电压 VTV_T
这是在指定结温和导通状态正向电流下，阳极和阴极之间的电压降。通常，这个值在1到1.5伏特之间。

门极触发电压 VGTV_{GT}
这是门极产生门极触发电流所需的最小电压。

正向 dv/dt 额定值
这是SCR在没有门极脉冲或信号的情况下不会被触发的阳极电压上升的最大速率。如果这个值超过规定值，SCR可能会被导通。在正向阻断模式下，SCR类似于一个带有电介质的电容器。

因此，当施加电压增加时，充电电流会通过它流动。如果电压上升速率过高，足够的电荷会通过SCR的结J2流动，从而使SCR在没有任何门极信号的情况下导通。

这种触发方式被称为误触发，在实际应用中并不采用。此外，这个额定值取决于结温。如果结温较高，SCR的dv/dt额定值较低，反之亦然。通过在SCR两端使用缓冲网络，可以限制施加到SCR的最大dv/dt。

电压安全系数 VfV_f
通常，SCR的工作电压保持在 VRSMV_{RSM} 以下，以避免由于不确定条件对SCR造成损坏。因此，电压安全系数关联了工作电压和 VRSMV_{RSM}，并由下式给出：

Vf=VRSM输入电压的均方根值×2V_f = \frac{V_{RSM}}{\text{输入电压的均方根值} \times \sqrt{2}}

SCR的电流额定值​

本质上，SCR是一个单向器件，因此分配给它的平均电流额定值（而双向器件分配的是均方根电流额定值）。SCR具有较低的热容量和较短的时间常数。这意味着即使在短时间内过电流，结温也会超过其额定值。这可能会损坏SCR。因此，必须正确选择电流额定值，以确保SCR的使用寿命，因为结温取决于它所处理的电流。让我们看看SCR的各种电流额定值。

平均导通状态电流额定值 ITAVI_{TAV}
这是可以在不超过最大温度和均方根电流限制的情况下，通过SCR流动的正向电流的最大重复平均值。当SCR处于导通模式时，其两端的正向电压降非常低。因此，晶闸管中的功率损耗完全取决于正向电流 ITAVI_{TAV}。

在相控SCR的情况下，平均正向电流取决于触发角。对于给定的平均正向电流，随着导通角的减小，电流的均方根值增加。这导致SCR两端的电压降增加，进而增加了平均功率损耗。因此，结温会超出安全限制。

为了限制最大结温，随着导通角的减小，必须降低允许的平均正向电流。制造商通常提供数据表，显示正向平均电流随外壳温度的变化。例如，不同导通角下由正半周期形成的电流波形如下所示。

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均方根导通状态电流 ITRMSI_{TRMS}
这是在最大结温下可以流过SCR的最大重复均方根电流。对于直流电流，均方根电流和平均电流是相同的。然而，这个额定值对于受低占空比波形和峰值电流影响的SCR很重要。此外，这个额定值也是为了防止在SCR的引脚、金属接头和接口处出现过度发热而需要的。

浪涌电流额定值 ITSMI_{TSM}
它规定了SCR在其使用寿命内可以有限次数承受的最大非重复或浪涌电流。制造商规定浪涌额定值以适应由于短路和故障导致的SCR异常条件。如果浪涌电流的峰值幅度和周期数超过规定值，SCR可能会损坏。

I2tI^2t 额定值
这个额定值用于确定设备的热能吸收能力。在选择用于SCR的熔断器或其他保护装置时需要这个额定值。这是SCR在熔断器清除故障之前可以吸收的热能的度量。

它是最大瞬时电流平方的时间积分。为了可靠地保护SCR，熔断器或其他保护装置的 I2tI^2t 额定值必须小于SCR的 I2tI^2t 额定值。

di/dt 额定值​

这是SCR能够承受的阳极到阴极电流上升的最大允许速率，不会对SCR造成任何损坏。如果阳极电流的上升速率远高于载流子扩散速度，由于载流子（由于高电流密度）在结的局部区域集中，会形成局部热点。

这会使结温超过安全限制，从而可能损坏SCR。因此，为了保护SCR，所有SCR都指定了最大允许的di/dt额定值。它以安培/微秒为单位指定，通常范围在50到800安培/微秒之间。

锁存电流 ILI_L​

这是在移除门极驱动后，保持SCR处于导通状态所需的最小导通电流。在SCR导通后，必须允许阳极电流上升到锁存电流水平，然后才能移除门极脉冲。否则，如果移除门极信号，SCR将关闭。

维持电流 IHI_H​

这是阳极电流的最小值，低于此值时SCR将停止导通并关闭。维持电流与关断过程相关，通常是一个很小的值，范围在毫安级别。

门极电流 IGI_G​

门极电流越大，SCR导通得越早，反之亦然。然而，必须通过指定最大和最小门极电流来为门极设置安全限制。为了控制SCR，将门极电流施加到门极端子。这种门极电流分为两种类型：最小门极电流 IGminI_{G\text{min}} 和最大门极电流 IGmaxI_{G\text{max}}。

最小门极电流 IGminI_{G\text{min}} 是门极端子导通SCR所需的电流，而 IGmaxI_{G\text{max}} 是可以安全施加到门极的最大电流。在这两个限制之间，控制SCR的导通角度。

SCR的温度额定值​

SCR的正向和反向阻断能力由结温 TjT_j 决定。如果超过最大结温，即使没有门极信号，SCR也会被驱动到导通状态。这个 TjT_j 的上限是根据转折电压的温度依赖性、热稳定性和关断时间来设定的。

此外，还需要一个上限存储温度 TsT_s，以限制对硅晶体、引脚连接和封装环氧树脂的热应力。超过这两个温度限制可能会导致SCR运行不可靠。在某些情况下，上限存储温度高于SCR的操作温度限制。

SCR的功率额定值​

SCR中的功率损耗会导致结区温度升高。SCR中的功率损耗包括正向功率损耗、导通和关断损耗以及门极功率损耗。

平均功率损耗 PavP_{av} ​

它是平均阳极电流与SCR两端正向电压降的乘积。这是正常工作周期操作中SCR结区加热的主要来源。给定源的最大功率不得超过平均功率损耗额定值，以确保设备的安全。这个额定值根据不同的导通角度作为平均正向电流的函数来指定，如图所示。

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门极功率损耗 PGP_G​

这个额定值定义了施加到门极的正向或反向峰值功率和平均功率。如果超过这些额定值，会对门极造成相当大的损坏。因此，在计算施加的电压和电流时，必须考虑门极脉冲的宽度（因为峰值功率是时间的函数）。对于脉冲触发，门极损耗可以忽略不计；而对于高占空比的门极信号，门极损耗变得更加显著。

其他功率损耗包括导通状态损耗、关断状态损耗、正向阻断损耗和反向阻断损耗。在选择SCR额定值时，必须考虑导通和关断损耗，因为它们构成了总损耗的很大一部分。正向和反向阻断损耗与导通损耗相比非常小，因为阻断状态下漏电流很小，电压降可以忽略不计。

导通和关断时间额定值​

导通时间是从施加门极信号的瞬间到导通状态电流达到其最终值90%的瞬间之间的时间间隔。如果增加门极驱动，导通时间将更短。这个导通时间仅适用于电阻性负载，因为电感性负载中阳极电流的上升速率较慢。

因此，导通时间并不表示在移除门极信号后设备保持导通的时间。如果负载是电阻性的，导通时间确实表示即使移除门极，SCR保持导通的时间间隔。

关断时间是从阳极电流变为零或负值的瞬间到重新对SCR施加正向电压的瞬间之间的时间间隔。对于快速开关SCR，导通时间和关断时间的值都相对较低。