晶閘管燒壞的真實原因解析

摘要：文中從專業(yè)的角度介紹了晶閘管在工作過程中燒壞的真實原因，解開了以往從表面現(xiàn)象而判斷晶閘管燒壞的誤區(qū)。
關鍵詞：晶閘管；dv／dt；di／dt；開通時間；關斷時間

晶閘管屬于硅元件，硅元件的普遍特性是過載能力差，因此在使用過程中經(jīng)常會發(fā)生燒壞晶閘管的現(xiàn)象。
晶閘管燒壞都是由溫度過高造成的，而溫度是由晶閘管的電特性、熱特性、結(jié)構(gòu)特性決定的，因此保證晶閘管在研制、生產(chǎn)過程中的質(zhì)量應從三方面入手：電特性、熱特性、結(jié)構(gòu)特性，而且三者是緊密相連、密不可分的，所以在研制、生產(chǎn)晶閘管時應充分考慮其電應力、熱應力、結(jié)構(gòu)應力。燒壞晶閘管的原因很多，總的說來還是三者共同作用下才致使晶閘管燒壞的，某一單獨的特性下降很難造成品閘管燒壞，因此我們在生產(chǎn)過程中可以充分利用這個特點，就是說如果其中的某個應力達不到要求時可以采取提高其他兩個應力的辦法來彌補。
從晶閘管的各相參數(shù)看，經(jīng)常發(fā)生事故的參數(shù)有：電壓、電流、dv／dt、di／dt、漏電、開通時間、關斷時間等，甚至有時控制極也可燒壞。由于晶閘管各參數(shù)性能的下降或線路問題會造成晶閘管燒損，從表面看來每個參數(shù)所造成晶閘管燒損的現(xiàn)象是不同的，因此通過解剖燒損的晶閘管就可以判斷出是由哪個參數(shù)造成晶閘管燒壞的。
一般情況下陰極表面或芯片邊緣有一燒損的小黑點說明是由于電壓引起的，由電壓引起燒壞晶閘管的原因有兩中可能，一是晶閘管電壓失效，就是我們常說的降伏，電壓失效分早期失效、中期失效和晚期失效。二是線路問題，線路中產(chǎn)生了過電壓，且對晶閘管所采取的保護措施失效。
電流燒壞晶閘管通常是陰極表面有較大的燒損痕跡，甚至將芯片、管殼等金屬大面積溶化。由di／dt所引起的燒壞晶閘管的現(xiàn)象較容易判斷，一般部是門極或放大門極附近燒成一小黑點。我們知道晶閘管的等效電路是由兩只可控硅構(gòu)成，門極所對應的可控硅做觸發(fā)用，目的是當觸發(fā)信號到來時將其放大，然后盡快的將主可控硅導通，然而在短時間內(nèi)如果電流過大，主可控硅還沒有完全導通，大的電流主要通過相當于門極的可控硅流過，而此可控硅的承載電流的能力是很小的，所以造成此可控硅燒壞，表面看就是門極或放大門極附近燒成一小黑點。至于dv／dt其本身是不會燒壞晶閘管的，只是高的dv／dt會使晶閘管誤觸發(fā)導通，其表面現(xiàn)象跟電流燒壞的現(xiàn)象差不多。
開通時間跟di／dt的關系很密切，因此其燒壞晶閘管的現(xiàn)象跟di／dt燒壞晶閘管基本類似。
關斷時間燒壞晶閘管的現(xiàn)象較難分析，其特點有時象電壓燒壞，有時又象電流燒壞，從實踐來看象電流燒壞的時候比較多。
以上分析只是從晶閘管表面的損壞程度來判斷其到底是由什么參數(shù)造成的，但無論什么原因損壞都會在晶閘管上留下痕跡，這種痕跡大多是燒壞的黑色痕跡，而黑色痕跡就是金屬熔化的痕跡，就是說燒壞晶閘管的最根本原因是將晶閘管芯片熔化，有的是大面積熔化，有的是小面積熔化。我們知道單晶硅的熔點是1450℃～1550℃，只有超過這個溫度才有可能熔化，那么這么高的溫度是怎么產(chǎn)生的呢?就晶閘管的各項參數(shù)而言即使每相參數(shù)都超出標準很多也不會產(chǎn)生如此高的溫度，因為溫度是由電流、電壓、時間三者的乘積決定的，其中某一相超標是不會產(chǎn)生這么高的溫度的，所以瞬時產(chǎn)生的高電壓、大電流是不會將芯片燒壞的，除非是高電壓、大電流、長時間才會如此，但這種情況是不可能出現(xiàn)的，因為晶閘管一經(jīng)燒毀設備立即就會出現(xiàn)故障，會立即停機，時間不會很長的，因此燒壞晶閘管芯片的高溫決不是電流、電壓、時間三者的乘積產(chǎn)生的。那么到底是怎么產(chǎn)生的呢?
其實無論晶閘管的那個參數(shù)造成其燒壞，最終的結(jié)果都可以歸納為電壓擊穿，就是說晶閘管燒壞的最終原因都是由電壓擊穿造成的，其表面的燒損痕跡也是由電壓擊穿所引起的，這點我們在晶閘管的應用中也能夠證明：在用萬用表測試燒壞的晶閘管時發(fā)現(xiàn)其陰極、陽極電阻都非常小，說明其內(nèi)部短路，到目前為止基本沒發(fā)現(xiàn)有陰極、陽極開路的現(xiàn)象，因為芯片是由不同金屬構(gòu)成的，不同金屬的熔點是不一樣的，總會有先熔化和后熔化之分，是逐漸熔化。一般情況下應該是鋁墊片或銀墊片先熔化，然后才是硅片和鉬片，而鋁墊片或銀墊片也不會小面積熔化，應該是所有有效面積的墊片都會熔化。鋁墊片或銀墊片熔化后一是有可能產(chǎn)生隔離層使陰極和陽極開路，二是鋁墊片或銀墊片高溫熔化后與硅片的接合部有可能材質(zhì)發(fā)生變化，產(chǎn)生絕緣的物質(zhì)，造成陰極、陽極開路的現(xiàn)象。那么電壓擊穿與晶閘管表面燒損的痕跡(小黑點或大面積熔化)有什么關系呢?
1．由于品閘管的電壓參數(shù)下降或線路產(chǎn)生的過電壓超過其額定值造成其絕緣強度相對降低，因此發(fā)生啟弧放電現(xiàn)象，而弧光的溫度是非常高的，遠大于芯片各金屬的熔點，因此燒毀晶閘管，又由于芯片外圓邊緣、芯片陰極-陽極表面之間的絕緣電壓強度不是完全一致的，只有在相對絕緣電壓較低的那點啟弧放電，因此電壓擊穿表現(xiàn)為在芯片陰極表面或芯片的邊緣有一小黑點。
2．由于晶閘管的電流、dv／dt、漏電、關斷時間、壓降等參數(shù)下降或線路的原因造成其芯片溫度過高，超過結(jié)溫，造成硅片內(nèi)部金屬格式發(fā)生變化，引起其絕緣電壓降低，因此發(fā)生啟弧放電現(xiàn)象，弧光產(chǎn)生的高溫將墊片、硅片、鉬片熔化、燒毀，同時也會將外殼與芯片相連的金屬熔化。由于芯片溫度過高需要較長的時間，是慢慢積累起來的，因此超溫的面積是較大的，燒損的面積也是較大的。
3．由于di／dt、開通時間燒壞的品閘管雖然也是一小黑點，但燒壞的位置與真正的電壓擊穿是不同的，其燒壞的機理與上面2所述的是一樣的，只是由于芯片里面的小可控硅比較小，所以形成的燒毀痕跡亦較小，實際是已經(jīng)將小可控硅完全燒毀了。
綜上所述，無論什么原因燒壞晶閘管，最終都是由于晶閘管絕緣電壓相對降低，然后啟弧放電，產(chǎn)生高溫，使晶閘管芯片金屬甚至外殼金屬熔化，致使晶閘管短路，損壞。