可控硅的燃烧
单向可控硅的主要参数包括:
通态平均电流(IT):在环境温度+40℃、规定散热条件和纯电阻负载下,可控硅导通时流过阳极和阴极之间的平均电流值。
通态峰值电压(VTM):在规定的条件下,可控硅导通时阳极和阴极之间的峰值电压。
控制极触发电压(VGT):控制极施加到阴极的触发电压,用于启动可控硅的导通。
正向阻断峰值电压(VDRM/UPFV):控制极开路时,可重复施加的正向峰值电压,通常取断态不重复峰值电压的80%。
反向阻断峰值电压(VRRM/UPRV):控制极开路时,可重复施加的反向峰值电压,取反向不重复峰值电压的80%。器件额定电压一般取这两者中的较小值。
维持电流(IH):保持可控硅导通所需的最小阳极电流。
反向重复峰值电压(VRRM):在规定的条件下,可控硅能承受的反向重复峰值电压。
断态重复峰值电压(VDRM):在规定的条件下,可控硅能承受的断态重复峰值电压。
反向漏电流(IRRM):在规定的条件下,可控硅在反向偏置时的漏电流。
可控硅模块烧坏炸裂的原因很多
主要原因包括以下几个方面:
1. 电压击穿:可控硅因不能承受过高的电压而发生击穿,导致芯片损坏。这可能是由于本身耐压下降或被电路断开时产生的高电压击穿。为了防止电压击穿,可以在电路中接入RC吸收回路,以避免各种无规则的干扰脉冲所引起的瞬间过压。
2. 电流损坏:过大的电流通过可控硅模块时,会在芯片内部产生热效应,使芯片温度升高,最终可能导致芯片被烧成一个凹坑。为了防止电流损坏,需要确保工作电流不超过可控硅模块的额定电流,并采取相应的过电流保护措施。
3. 过热:如果可控硅模块的散热不良,导致芯片温度过高(一般工作温度-50~150度),也可能引发模块的烧坏炸裂。因此,在设计和使用可控硅模块时,需要充分考虑散热问题,确保散热系统的有效性。

从芯片至环境的总热阻由三部分组成,即芯片至管壳的结壳热阻 Rj-c,管壳至散热器的接触热阻 Rc-s,散热器至环境的散热器热阻 Rs-a,总热阻由下式计算:
Rj-a=Rj-c+Rc-s+Rs-a
4. 保护电路失效:可控硅模块通常具有过流、过压等保护功能。如果这些保护电路失效,将无法及时切断电源,导致模块在异常情况下继续工作,从而引发损坏。因此,定期检查保护电路的工作状态也是非常重要的。
可控硅损坏的几个不同现象
1、电压击穿
可控硅因不能承受电压而损坏,其芯片中有一个光洁的小孔,有时需用扩大镜才能看见。其原因可能是管子本身耐压下降或被电路断开时产生的高电压击穿。
2、电流损坏
电流损坏的痕迹特征是芯片被烧成一个凹坑,且粗糙,其位置在远离控制极上。
3、电流上升率损坏
其痕迹与电流损坏相同,而其位置在控制极附近或就在控制极上。
4、边缘损坏
他发生在芯片外圆倒角处,有细小光洁小孔。用放大镜可看到倒角面上有细细金属物划痕。这是制造厂家安装不慎所造成的。它导致电压击穿。
如何保护可控硅不被损坏
1、过电压保护
晶闸管对过电压很敏感,当正向电压超过其断态重复峰值电压UDRM一定值时晶闸管就会误导通,引发电路故障;当外加反向电压超过其反向重复峰值电压URRM一定值时,晶闸管就会立即损坏。因此,必须研究过电压的产生原因及抑制过电压的方法。
过电压产生的原因主要是供给的电功率或系统的储能发生了激烈的变化,使得系统来不及转换,或者系统中原来积聚的电磁能量来不及消散而造成的。主要发现为雷击等外来冲击引起的过电压和开关的开闭引起的冲击电压两种类型。由雷击或高压断路器动作等产生的过电压是几微秒至几毫秒的电压尖峰,对晶闸管是很危险的。
2、过电流保护
由于半导体器件体积小、热容量小,特别像晶闸管这类高电压大电流的功率器件,结温必须受到严格的控制,否则将遭至彻底损坏。当晶闸管中流过大于额定值的电流时,热量来不及散发,使得结温迅速升高,最终将导致结层被烧坏。
产生过电流的原因是多种多样的,例如,变流装置本身晶闸管损坏,触发电路发生故障,控制系统发生故障等,以及交流电源电压过高、过低或缺相,负载过载或短路,相邻设备故障影响等。
总体来看晶闸管烧坏都是由温度过高造成的,而温度是由晶闸管的电特性、热特性、结构特性决定的,以上分析只是从晶闸管表面的损坏程度来判断其到底是由什么参数造成的,但无论什么原因损坏都会在晶闸管上留下痕迹,这种痕迹大多是烧坏的黑色痕迹,而黑色痕迹就是金属熔化的痕迹,就是说烧坏晶闸管的最根本原因是将晶闸管芯片熔化,有的是大面积熔化,有的是小面积熔化。单晶硅的熔点是1450℃~1550℃,只有超过这个温度才有可能熔化,这么高的温度是怎么产生的呢?
其实无论晶闸管的那个参数造成其烧坏,最终的结果都可以归纳为电压击穿,就是说晶闸管烧坏的最终原因都是由电压击穿造成的,其表面的烧损痕迹也是由电压击穿所引起的,这点我们在晶闸管的应用中也能够证明:在用万用表测试烧坏的晶闸管时发现其阴极、阳极电阻都非常小,说明其内部短路,到目前为止基本没发现有阴极、阳极开路的现象,因为芯片是由不同金属构成的,不同金属的熔点是不一样的,总会有先熔化和后熔化之分,是逐渐熔化。一般情况下应该是铝垫片或银垫片先熔化,然后才是硅片和钼片,而铝垫片或银垫片也不会小面积熔化,应该是所有有效面积的垫片都会熔化。铝垫片或银垫片熔化后一是有可能产生隔离层使阴极和阳极开路,二是铝垫片或银垫片高温熔化后与硅片的接合部有可能材质发生变化,产生绝缘的物质,造成阴极、阳极开路的现象。
那么电压击穿与晶闸管表面烧损的痕迹(小黑点或大面积熔化)有什么关系呢?
1.由于晶闸管的电压参数下降或线路产生的过电压超过其额定值造成其绝缘强度相对降低,因此发生启弧放电现象,而弧光的温度是非常高的,远大于芯片各金属的熔点,因此烧毁晶闸管,又由于芯片外圆边缘、芯片阴极-阳极表面之间的绝缘电压强度不是完全一致的,只有在相对绝缘电压较低的那点启弧放电,因此电压击穿表现为在芯片阴极表面或芯片的边缘有一小黑点。
2.由于晶闸管的电流、dv/dt、漏电、关断时间、压降等参数下降或线路的原因造成其芯片温度过高,超过结温,造成硅片内部金属格式发生变化,引起其绝缘电压降低,因此发生启弧放电现象,弧光产生的高温将垫片、硅片、钼片熔化、烧毁,同时也会将外壳与芯片相连的金属熔化。由于芯片温度过高需要较长的时间,是慢慢积累起来的,因此超温的面积是较大的,烧损的面积也是较大的。
3.由于di/dt、开通时间烧坏的品闸管虽然也是一小黑点,但烧坏的位置与真正的电压击穿是不同的,其烧坏的机理与上面2所述的是一样的,只是由于芯片里面的小可控硅比较小,所以形成的烧毁痕迹亦较小,实际是已经将小可控硅完全烧毁了。
综上所述,无论什么原因烧坏晶闸管,最终可能都是由于晶闸管绝缘电压相对降低,然后启弧放电,产生高温,使晶闸管芯片金属甚至外壳金属熔化,致使晶闸管短路,损坏。
最后在可能的情况下,在SCR工作中应尽量做到热传导,减小接触热阻!
主要热量依靠 SCR散热面与散热器表面的金属接触来传递,常用铜或铝作为基底材料。由于接触面间的不平整度使间隙中存有一定空气,而空气的热导率仅为 0.025 W/(m·K),因此严重阻碍了热传导。若将导热硅脂先涂覆至 SCR散热面表面,在装配及螺钉紧固力的作用下,挤出接触面间的空气并将间隙填充,导热材料的热导率一般在 0.8-4 W/(m·K)之间,其热导率是空气的 32-160 倍,虽然主要的热传导仍是由金属之间的热传导完成,但能够较好地改善接触面间的热流传递情况,减小热阻,提高散热效率。

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