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(huì)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(yīng)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(shí)應(yīng)充分考慮其電應(yīng)力、熱應(yīng)力、結(jié)構(gòu)應(yīng)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(dú)的特性下降很難造成晶閘管燒壞,因此我們?cè)谏a(chǎn)過程中可以充分利用這個(gè)特點(diǎn),就是說如果其中的某個(gè)應(yīng)力達(dá)不到要求時(shí)可以采取提高其他兩個(gè)應(yīng)力的辦法來彌補(bǔ)。
圖:晶閘管
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(shí)間、關(guān)斷時(shí)間等,甚至有時(shí)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(huì)造成晶閘管燒壞,從表面看來每個(gè)參數(shù)所造成晶閘管燒壞的現(xiàn)象是不同的,因此通過解剖燒壞的晶閘管就可以判斷是哪個(gè)參數(shù)造成晶閘管燒壞的。
電壓引起晶閘管燒壞現(xiàn)象
一般情況下陰極表面或芯片邊緣有一燒壞的小黑點(diǎn)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(duì)晶閘管所采取的保護(hù)措施失效。
電流引起晶閘管燒壞現(xiàn)象
電流燒壞晶閘管通常是陰極表面有較大的燒壞痕跡,甚至將芯片、管殼等金屬大面積溶化。
di/dt引起晶閘管燒壞現(xiàn)象
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(diǎn)。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(duì)應(yīng)的可控硅做觸發(fā)用,目的是當(dāng)觸發(fā)信號(hào)到來時(shí)將其放大,然后盡快的將主可控硅導(dǎo)通,然而在短時(shí)間內(nèi)如果電流過大,主可控硅還沒有完全導(dǎo)通,大的電流主要通過相當(dāng)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(diǎn)。
dv/dt引起晶閘管燒壞現(xiàn)象
至于dv/dt其本身是不會(huì)燒壞晶閘管的,只是高的dv/dt會(huì)使晶閘管誤觸發(fā)導(dǎo)通,其表面現(xiàn)象跟電流燒壞的現(xiàn)象差不多。
開通時(shí)間引起晶閘管燒壞現(xiàn)象
開通時(shí)間跟di/dt的關(guān)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(guān)斷時(shí)間引起晶閘管燒壞現(xiàn)象
關(guān)斷時(shí)間燒壞晶閘管的現(xiàn)象較難分析,其特點(diǎn)有時(shí)象電壓燒壞,有時(shí)又象電流燒壞,從實(shí)踐來看象電流燒壞的時(shí)候比較多。
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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(huì)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(diǎn)是1450℃~1550℃,只有超過這個(gè)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(xiàng)參數(shù)而言即使每相參數(shù)都超出標(biāo)準(zhǔn)很多也不會(huì)產(chǎn)生如此高的溫度,因?yàn)闇囟仁怯呻娏?、電壓、時(shí)間三者的乘積決定的,其中某一相超標(biāo)是不會(huì)產(chǎn)生這么高的溫度的,所以瞬時(shí)產(chǎn)生的高電壓、大電流是不會(huì)將芯片燒壞的,除非是高電壓、大電流、長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)如此,但這種情況是不可能出現(xiàn)的,因?yàn)榫чl管一經(jīng)燒毀設(shè)備立即就會(huì)出現(xiàn)故障,會(huì)立即停機(jī),時(shí)間不會(huì)很長(zhǎng)的,因此燒壞晶閘管芯片的高溫決不是電流、電壓、時(shí)間三者的乘積產(chǎn)生的。那么到底是怎么產(chǎn)生的呢?
其實(shí)無論晶閘管的那個(gè)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,其表面的燒壞痕跡也是由電壓擊穿所引起的,這點(diǎn)我們?cè)诰чl管的應(yīng)用中也能夠證明:在用萬用表測(cè)試燒壞的晶閘管時(shí)發(fā)現(xiàn)其陰極、陽(yáng)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(yáng)極開路的現(xiàn)象,因?yàn)樾酒怯刹煌饘贅?gòu)成的,不同金屬的熔點(diǎn)是不一樣的,總會(huì)有先熔化和后熔化之分,是逐漸熔化。
電壓擊穿與晶閘管表面燒壞的痕跡的關(guān)系
一般情況下應(yīng)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(huì)小面積熔化,應(yīng)該是所有有效面積的墊片都會(huì)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(yáng)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(yáng)極開路的現(xiàn)象。那么電壓擊穿與晶閘管表面燒壞的痕跡(小黑點(diǎn)或大面積熔化)有什么關(guān)系呢?
1.由于晶閘管的電壓參數(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(qiáng)度相對(duì)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(yuǎn)大于芯片各金屬的熔點(diǎn),因此燒毀晶閘管,又由于芯片外圓邊緣、芯片陰極-陽(yáng)極表面之間的絕緣電壓強(qiáng)度不是完全一致的,只有在相對(duì)絕緣電壓較低的那點(diǎn)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(diǎn)。
2.由于晶閘管的電流、dv/dt、漏電、關(guān)斷時(shí)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(shí)也會(huì)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(zhǎng)的時(shí)間,是慢慢積累起來的,因此超溫的面積是較大的,燒壞的面積也是較大的。
3.由于di/dt、開通時(shí)間燒壞的晶閘管雖然也是一小黑點(diǎn),但燒壞的位置與真正的電壓擊穿是不同的,其燒壞的機(jī)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(shí)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(duì)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。
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