晶閘管是四層半導體開關，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構，但可以修改其達成和封裝的細節以滿足特定應用的需求。

本常見問題解答回顧了相控晶閘管 (PCT) 的基本操作，然後研究了雙向控製晶閘管 (BCT) 和雙向相控晶閘管 (BiPCT) 在公用事業規模電力轉換系統中的使用，最後展現了旁路晶閘管 (BT) 和非對稱 BT，旨在確保可靠運行並防止大功率模塊化多電平轉換器爆炸。

PCT 用作高壓交流輸入電源轉換器的相控電流“閥”，主要工作在交流線路頻率，但有時工作頻率高達約 1 kHz。它們可用於電源轉換器、電池充電器、電阻加熱器、照明控製器和工業電機驅動器。雖然它們可以阻斷非常高的電壓，但它們的導通電阻也非常低，可以产生高效率的轉換器。基於 PCT 的轉換器采用相位觸發控製 (PFC)，有時稱為相位角控製或相位切割，來調節通過設備的功率。

圖 1：PFC 改變觸發 PCT 的相位角，以調節通過設備的功率。

PFC 用於具有調製波形的電源，例如公用電網中的正弦交流電。這與用於控製直流電源總線上的功率傳輸的脈沖寬度調製不同。要達成 PFC，必須知道電源的調製頻率和周期。這些信息使得可以在周期的正確點打開晶閘管以傳輸所需的能量。PFC 可以與輸入端的調製同步。與開關電源降壓拓撲一樣，PFC 只能产生等於輸入減去轉換過程中的任何損耗的最大輸出電平。

PCT 應用的激增催生了各種針對各種性能標準(如低傳導損耗、低正向壓降或低存儲電荷)進行優化的設備。例如：

· 低傳導損耗的 PCT 在短路器、靜態開關和一些高壓電源策劃中特別有用

· 具有低開關損耗的 PCT 適用於橋式整流器和大功率驅動器。

· 低存儲電荷的 PCT 專為更高頻率的功率轉換應用而策劃。

雙向相控晶閘管

雙向控製晶閘管 (BCT) 由兩個集成在同一矽片上且具有獨立柵極觸點的晶閘管組成。BCT 旨在取代高壓應用中的三端雙向可控矽開關。三端雙向可控矽開關可用於高達約 1 kV 的電壓。超過該電壓水平時，三端雙向可控矽開關所需的厚度使得通過單個柵極對設備進行統一控製變得不切實際。柵極結構的策劃對於 BTC 達成快速導通和防止組成晶閘管之間的幹擾非常重要。該設備需要緊湊，但兩個晶閘管之間需要有足夠的間隔，以防止組合設備被高 dV/dt 值損壞，因為高 dV/dt 值可能會導致換向後不受控製的觸發。

雙向相控晶閘管 (BiPCT) 的開發是為了改善 BCT 的工作特性。BiPCT 在單個晶片上有兩個反向並聯配置的晶閘管，每個晶閘管都有單獨的柵極端子(圖 2)。與 BCT 一樣，其中一個柵極接通正向電流，另一個柵極接通反向電流。與 BTC 相比，BiPCT 的優勢包括浪湧電流額定值增加、熱阻降低以及通過簡化製造降低成本。除了 BCT 中的柵極策劃考慮因素外，BiPCT 還使用兩個反向並聯連接的晶閘管的陽極和陰極區域的交錯。在策劃 BCT 或 BiPCT 時，一個挑戰是要在導通電壓 (V T)和盡可能接近單個 PCT 器件的每個集成器件的恢復電荷 (Q rr )。

圖 2：BiPCT 原理圖符號(左)和等效電路(右)。

使用 BiPCT 具有成本優勢，因為有源元件的系統體積更小，緩沖器和控製電路也更小。晶閘管閥組件的簡化可使成本比分立 PCT 降低 30%。由於元件數量較少，基於 BiPCT 的晶閘管閥組件的可靠性應明顯高於基於分立 PCT 的類似組件(假設 BiPCT 具有與 PCT 類似的可靠性)。

旁路晶閘管

可靠性是公用事業規模模塊化多電平轉換器 (MMC) 的一項關鍵要求。即使在其中一個模塊發生故障的情況下，MMC 也有望繼續運行。BT 是犧牲設備，是專門為滿足這一需求而開發的。MMC 有望供應串行冗余，並能夠在發生故障時可靠地釋放電池中存儲的能量並短路電池的端子。高功率 MMC 中存儲的能量通常大到足以破壞傳統晶閘管的外殼，從而導致外部電弧、可能的電容器爆炸或電氣連接斷裂。這些系統中可能會出現晶閘管故障。

在 BT 出現之前，電池端子在故障事件期間使用機械開關短路。機械解決方案會增加解決方案的尺寸和成本，並且可能不可靠。旁路晶閘管的開發是為了供應更低成本和更強大的選擇。

在正常運行中，BT 處於關閉狀態，不會影響電池運行。當發生故障時，BT 會立即打開以處理能量浪湧。在 MMC 應用中，當電池發生故障時，即使電流高達 363 kA 且 I 2 t 高達 217 MA 2 s，BT 外殼也不會破裂。發生故障後，BT 可以繼續作為穩定短路運行(使損壞的電池停止運行)一年以上，直到下次定期維持。此時，MMC 斷電，可以更換故障的電池模塊。例如，在發生故障事件後，典型的 BT 可以傳導 1,300 A rms，電壓降低於 1.75 V rms超過一年，不會产生任何不利影響。

除了最佳的設備策劃外，封裝也是達成 BT 預期性能水平的關鍵(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部留出額外的空間。該空間供應膨脹體積，可降低設備內部氣壓，並在故障事件期間改善等離子體的散熱。下圖中，封裝盖(上方橙色區域)中顯示了膨脹體積(藍綠色)。此外，陶瓷封裝壁上襯有矽橡膠條(綠色)，有助於防止壁在膨脹體積空間無法吸收的過量等離子體存在時破裂。最後，陶瓷壁和盖子之間的迷宮式密封為陰極密封法蘭供應了額外的保護。

圖 3：封裝是達成 BT 性能目標的一個重要方面。

IGBT 的非對稱 BT

對於大多數晶閘管，V DRM和 V RRM(最大重復峰值正向和反向阻斷電壓)分別相同。它們被稱為對稱設備，策劃用於正常交流電壓。在非對稱 BT 中，V DRM和 V RRM並不相同。這些設備策劃用於更高頻率的應用，例如基於 IGBT 模塊的電壓源多級轉換器 (VSMC)。它們旨在承受 IGBT 二極管開關導致的快速電壓瞬變。用於基於 IGBT 的轉換器的非對稱 BT 具有 V DRM1,000 V，VRRM 高達 4,500 V，額定電流超過 3,000 A。晶閘管具有動態導通電壓，導通時間經過優化，可轉移 IGBT 二極管的過大電流。與用於保護晶閘管的 BT 一樣，這些非對稱 BT 幫助更小的解決方案和更高的可靠性。它們還幫助轉換器中的更高電壓操作。

概括

晶閘管是單向電源開關，已針對各種應用進行了優化。PFC 是最常見的晶閘管控製技藝。它用於控製輸入交流電源周期內設備開啟的相位角，以調節從電源轉換器的輸入傳輸到輸出的電量。已經開發出可以雙向開啟的 BCT 和 BiPTC，以取代受益於雙向功率流的高壓應用中的三端雙向可控矽。BT 在基於大功率晶閘管的 MMC 中用作犧牲設備，以確保即使其中一個單元發生故障，系統也能持續運行，並且已經開發出非對稱 BT，以在基於 IBGT 的 VSMC 中達成相同的目的。