相控、双向和旁路晶闸管如何工作？

晶闸管是四层半导体开关，具有交替的 P 型和 N 型材料层。虽然所有晶闸管都具有相同的基本结构，但可以修改其实现和封装的细节以满足特定应用的需求。

本常见问题解答回顾了相控晶闸管 (PCT) 的基本操作，然后研究了双向控制晶闸管 (BCT) 和双向相控晶闸管 (BiPCT) 在公用事业规模电力转换系统中的使用，最后介绍了旁路晶闸管 (BT) 和非对称 BT，旨在确保可靠运行并防止大功率模块化多电平转换器爆炸。

PCT 用作高压交流输入电源转换器的相控电流“阀”，主要工作在交流线路频率，但有时工作频率高达约 1 kHz。它们可用于电源转换器、电池充电器、电阻加热器、照明控制器和工业电机驱动器。虽然它们可以阻断非常高的电压，但它们的导通电阻也非常低，可以产生高效率的转换器。基于 PCT 的转换器采用相位触发控制 (PFC)，有时称为相位角控制或相位切割，来调节通过设备的功率。

图 1：PFC 改变触发 PCT 的相位角，以调节通过设备的功率。

PFC 用于具有调制波形的电源，例如公用电网中的正弦交流电。这与用于控制直流电源总线上的功率传输的脉冲宽度调制不同。要实现 PFC，必须知道电源的调制频率和周期。这些信息使得可以在周期的正确点打开晶闸管以传输所需的能量。PFC 可以与输入端的调制同步。与开关电源降压拓扑一样，PFC 只能产生等于输入减去转换过程中的任何损耗的最大输出电平。

PCT 应用的激增催生了各种针对各种性能标准(如低传导损耗、低正向压降或低存储电荷)进行优化的设备。例如：

· 低传导损耗的 PCT 在短路器、静态开关和一些高压电源设计中特别有用

· 具有低开关损耗的 PCT 适用于桥式整流器和大功率驱动器。

· 低存储电荷的 PCT 专为更高频率的功率转换应用而设计。

双向相控晶闸管

双向控制晶闸管 (BCT) 由两个集成在同一硅片上且具有独立栅极触点的晶闸管组成。BCT 旨在取代高压应用中的三端双向可控硅开关。三端双向可控硅开关可用于高达约 1 kV 的电压。超过该电压水平时，三端双向可控硅开关所需的厚度使得通过单个栅极对设备进行统一控制变得不切实际。栅极结构的设计对于 BTC 实现快速导通和防止组成晶闸管之间的干扰非常重要。该设备需要紧凑，但两个晶闸管之间需要有足够的间隔，以防止组合设备被高 dV/dt 值损坏，因为高 dV/dt 值可能会导致换向后不受控制的触发。

双向相控晶闸管 (BiPCT) 的开发是为了改善 BCT 的工作特性。BiPCT 在单个晶片上有两个反向并联配置的晶闸管，每个晶闸管都有单独的栅极端子(图 2)。与 BCT 一样，其中一个栅极接通正向电流，另一个栅极接通反向电流。与 BTC 相比，BiPCT 的优势包括浪涌电流额定值增加、热阻降低以及通过简化制造降低成本。除了 BCT 中的栅极设计考虑因素外，BiPCT 还使用两个反向并联连接的晶闸管的阳极和阴极区域的交错。在设计 BCT 或 BiPCT 时，一个挑战是要在导通电压 (V T)和尽可能接近单个 PCT 器件的每个集成器件的恢复电荷 (Q rr )。

图 2：BiPCT 原理图符号(左)和等效电路(右)。

使用 BiPCT 具有成本优势，因为有源元件的系统体积更小，缓冲器和控制电路也更小。晶闸管阀组件的简化可使成本比分立 PCT 降低 30%。由于元件数量较少，基于 BiPCT 的晶闸管阀组件的可靠性应明显高于基于分立 PCT 的类似组件(假设 BiPCT 具有与 PCT 类似的可靠性)。

旁路晶闸管

可靠性是公用事业规模模块化多电平转换器 (MMC) 的一项关键要求。即使在其中一个模块发生故障的情况下，MMC 也有望继续运行。BT 是牺牲设备，是专门为满足这一需求而开发的。MMC 有望提供串行冗余，并能够在发生故障时可靠地释放电池中存储的能量并短路电池的端子。高功率 MMC 中存储的能量通常大到足以破坏传统晶闸管的外壳，从而导致外部电弧、可能的电容器爆炸或电气连接断裂。这些系统中可能会出现晶闸管故障。

在 BT 出现之前，电池端子在故障事件期间使用机械开关短路。机械解决方案会增加解决方案的尺寸和成本，并且可能不可靠。旁路晶闸管的开发是为了提供更低成本和更强大的选择。

在正常运行中，BT 处于关闭状态，不会影响电池运行。当发生故障时，BT 会立即打开以处理能量浪涌。在 MMC 应用中，当电池发生故障时，即使电流高达 363 kA 且 I 2 t 高达 217 MA 2 s，BT 外壳也不会破裂。发生故障后，BT 可以继续作为稳定短路运行(使损坏的电池停止运行)一年以上，直到下次定期维护。此时，MMC 断电，可以更换故障的电池模块。例如，在发生故障事件后，典型的 BT 可以传导 1,300 A rms，电压降低于 1.75 V rms超过一年，不会产生任何不利影响。

除了最佳的设备设计外，封装也是实现 BT 预期性能水平的关键(图 3)。在高能放电期间保持封装完整性需要在阴极极元件内部留出额外的空间。该空间提供膨胀体积，可降低设备内部气压，并在故障事件期间改善等离子体的散热。下图中，封装盖(上方橙色区域)中显示了膨胀体积(蓝绿色)。此外，陶瓷封装壁上衬有硅橡胶条(绿色)，有助于防止壁在膨胀体积空间无法吸收的过量等离子体存在时破裂。最后，陶瓷壁和盖子之间的迷宫式密封为阴极密封法兰提供了额外的保护。

图 3：封装是实现 BT 性能目标的一个重要方面。

IGBT 的非对称 BT

对于大多数晶闸管，V DRM和 V RRM(最大重复峰值正向和反向阻断电压)分别相同。它们被称为对称设备，设计用于正常交流电压。在非对称 BT 中，V DRM和 V RRM并不相同。这些设备设计用于更高频率的应用，例如基于 IGBT 模块的电压源多级转换器 (VSMC)。它们旨在承受 IGBT 二极管开关导致的快速电压瞬变。用于基于 IGBT 的转换器的非对称 BT 具有 V DRM1,000 V，VRRM 高达 4,500 V，额定电流超过 3,000 A。晶闸管具有动态导通电压，导通时间经过优化，可转移 IGBT 二极管的过大电流。与用于保护晶闸管的 BT 一样，这些非对称 BT 支持更小的解决方案和更高的可靠性。它们还支持转换器中的更高电压操作。

概括

晶闸管是单向电源开关，已针对各种应用进行了优化。PFC 是最常见的晶闸管控制技术。它用于控制输入交流电源周期内设备开启的相位角，以调节从电源转换器的输入传输到输出的电量。已经开发出可以双向开启的 BCT 和 BiPTC，以取代受益于双向功率流的高压应用中的三端双向可控硅。BT 在基于大功率晶闸管的 MMC 中用作牺牲设备，以确保即使其中一个单元发生故障，系统也能持续运行，并且已经开发出非对称 BT，以在基于 IBGT 的 VSMC 中实现相同的目的。