晶閘管燒壞的真實(shí)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(guò)程中燒壞的真實(shí)原因，解開(kāi)了以往從表面現(xiàn)象而判斷晶閘管燒壞的誤區(qū)。
關(guān)鍵詞：晶閘管；dv／dt；di／dt；開(kāi)通時(shí)間；關(guān)斷時(shí)間

晶閘管屬于硅元件，硅元件的普遍特性是過(guò)載能力差，因此在使用過(guò)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(guò)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(guò)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(shuō)來(lái)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品閘管燒壞，因此我們?cè)谏a(chǎn)過(guò)程中可以充分利用這個(gè)特點(diǎn)，就是說(shuō)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(lái)彌補(bǔ)。
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(kāi)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(wèn)題會(huì)造成晶閘管燒損，從表面看來(lái)每個(gè)參數(shù)所造成晶閘管燒損的現(xiàn)象是不同的，因此通過(guò)解剖燒損的晶閘管就可以判斷出是由哪個(gè)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(diǎn)說(shuō)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(shuō)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(wèn)題，線路中產(chǎn)生了過(guò)電壓，且對(duì)晶閘管所采取的保護(hù)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(mén)極或放大門(mén)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(mén)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(lái)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(guò)大，主可控硅還沒(méi)有完全導(dǎo)通，大的電流主要通過(guò)相當(dāng)于門(mén)極的可控硅流過(guò)，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(mén)極或放大門(mén)極附近燒成一小黑點(diǎn)。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(kāi)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(lái)看象電流燒壞的時(shí)候比較多。
以上分析只是從晶閘管表面的損壞程度來(lái)判斷其到底是由什么參數(shù)造成的，但無(wú)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(shuō)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(guò)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(wú)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(shuō)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(diǎn)我們?cè)诰чl管的應(yīng)用中也能夠證明：在用萬(wàn)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(shuō)明其內(nèi)部短路，到目前為止基本沒(méi)發(fā)現(xiàn)有陰極、陽(yáng)極開(kāi)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。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(kāi)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(kāi)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(diǎn)或大面積熔化)有什么關(guān)系呢?
1．由于品閘管的電壓參數(shù)下降或線路產(chǎn)生的過(guò)電壓超過(guò)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(guò)高，超過(guò)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(guò)高需要較長(zhǎng)的時(shí)間，是慢慢積累起來(lái)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(kāi)通時(shí)間燒壞的品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(wú)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。