HTS 100 - 1600 - SCR：高压开关晶闸管的应用剖析

李晓宇            QQ：2850590587              手机：13002495941            电话：010-64714988-216            传真：010-64714988-668            邮件：tk3@handelsen.cn

HTS 100 - 1600 - SCR：高压开关晶闸管的应用剖析

一、产品概述

Behlke 公司于 1985 年由资深工程师 Frank Behlke 创立，公司地处法兰克福西北约 20 公里的卫星镇克龙贝格，一直致力于高压高电流半导体器件的研发与生产。凭借强大的技术实力、超稳定的产品和标准模块化的设计，Behlke 在高压高电流半导体器件行业处于地位，特别是在某些超高压超电流领域更是行业标准。

HTS 100 - 1600 - SCR 是 Behlke 公司旗下一款高压开关晶闸管，在众多高压应用场景中发挥着关键作用。其型号有着编码规则，“HTS” 代表 HV 晶闸管开关；“100” 代表该开关能承受的电压为 10kV；“1600” 表示以 10A 为单位，其电流为 1600×10A，即 16000A；“SCR” 代表可控硅整流器（晶闸管），意味着该开关采用晶闸管技术 ，开关状态下无噪音，高频时控制功率低。

二、工作原理及特性

（一）工作原理

HTS 100 - 1600 - SCR 利用晶闸管管芯工作。晶闸管内部是 PNPN 四层半导体结构，分别命名为 P1、N1、P2、N2 四个区 ，由外的 P 层和 N 层引出的两个电极，分别为阳极 A 和阴极 K，由中间的 P2 层引出的电极是门极 G（也称控制极），四个区形成 J1、J2、J3 三个 PN 结。当晶闸管的阳极 A 接电源正端，阴极 K 接电源负端，此时晶闸管承受正向电压。当控制电路中，门极 G 与阴极 K 之间加上合适的正向电压和电流，即有门极电流 Ig 流入时，晶闸管内部会形成强烈的正反馈，使得晶闸管迅速导通，电流从阳极 A 流向阴极 K 。

一旦晶闸管导通，门极就失去对其导通状态的控制作用，只要阳极电流大于维持电流，即便去掉门极信号，晶闸管仍会保持导通。而要使导通的晶闸管关断，必须使阳极电流降低到维持电流以下，通常可以采用将阳极电压减小到零或者给阳极施加反向电压的方式来实现 。例如在交流电路中，当交流电压过零时刻，阳极电流降为零，晶闸管便会自然关断；在直流电路中，则需借助专门的换流电路来实现关断。

（二）特性

1. 高 dV/dt 速率承受力：与传统圆盘晶闸管开关相比，快速的 BEHLKE 晶闸管开关模块由大量较小的晶闸管管芯组成，并进行并联和串联连接。如此一来，对于单个晶闸管管芯，的 dV/dt 被有效地拆分为非临界值 ，每个晶闸管管芯都由其自己的高度同步和隔离的栅极驱动器触发，这使得 BEHLKE 晶闸管开关可以在物理上尽可能高 dV/dt 速率下安全地运行，而没有预期的寿命下降。例如在一些高压脉冲电源应用中，电压变化速率极快，HTS 100 - 1600 - SCR 凭借其高 dV/dt 速率承受力，能够稳定可靠地工作，保障电路的正常运行。

2. 低点火能量需求：BEHLKE 晶闸管开关是真正由栅极控制的，不会从负载电路汲取点火能量，这允许从几乎 0V（只要能提供足够的咬合电流）安全切换到大电压，而没有限制。这一特性使得其在一些对能源利用效率要求较高的场合优势明显，降低了对驱动电源的要求，同时也减少了能源的不必要消耗。

3. 安全电压切换范围：该开关的隔离范围至少为工作电压的 150%，因此可以轻松实现开关应用。在实际使用中，即使工作电压出现一定波动或者受到瞬间的过电压冲击，它也能保持稳定的工作状态，极大地提高了应用的安全性和可靠性，降低了因电压问题导致设备损坏的风险      。

4. 其他优势：它还具备高峰值电流能力、高 di/dt 能力，且不会因大电流而影响可靠性和预期寿命；通过简单的 TTL 触发脉冲 (2 - 5V) 即可轻松触发，操作简便；非常紧凑且重量轻，便于安装和集成到各种设备中；拥有各种冷却选项，能适应不同的散热需求，保证在不同工作环境下的稳定运行。与传统开关相比，在相同的工作条件下，传统开关可能会因电流、电压变化等因素出现寿命缩短、性能不稳定等问题，而 HTS 100 - 1600 - SCR 则能稳定运行，展现出强大的性能优势。

三、应用案例呈现

（一）高校实验室应用

在某高校的电气工程实验室中，正在开展一项关于高电压脉冲对新型绝缘材料性能影响的研究项目。实验中需要精确控制高电压脉冲的产生、传输与切换，以模拟不同工况下绝缘材料所承受的电压冲击 。HTS 100 - 1600 - SCR 在这个实验项目中发挥了关键作用。

实验装置中，HTS 100 - 1600 - SCR 作为高压开关，连接在高压脉冲电源与实验样品之间。通过控制其导通和关断，实现高电压脉冲按照设定的频率和幅值施加到绝缘材料样品上。由于其高 dV/dt 速率承受力，能够在高电压快速变化的情况下稳定工作，确保了每次施加到样品上的脉冲波形的准确性和稳定性，为实验提供了可靠的高压脉冲信号。

在传统的实验中，由于使用的开关性能限制，难以在高 dV/dt 的情况下稳定工作，导致脉冲波形容易出现畸变，实验数据的准确性受到较大影响 。而使用 HTS 100 - 1600 - SCR 后，有效避免了这些问题。研究人员能够获取更准确的实验数据，通过对数据的分析，对新型绝缘材料在高电压脉冲下的性能有了更深入的了解，为后续的材料优化和实际应用提供了有力的理论支持。例如，通过实验发现了绝缘材料在特定高电压脉冲参数下的薄弱点，为改进材料配方和结构设计指明了方向 。

（二）工业领域应用

1. 化工行业：在一家大型化工企业中，其生产过程涉及到众多复杂的化学反应，许多反应需要在特定的电压条件下进行精确控制。HTS      100 - 1600 - SCR 被应用于其化学反应控制系统中的高压电源部分 。在一些需要高电压激发化学反应的工艺中，通过 HTS 100 - 1600 - SCR 精确控制高压电源的通断，实现对反应过程的精准调控。由于其低点火能量需求，降低了整个控制系统的能耗，同时提高了反应控制的精度和可靠性      。在传统的化工反应控制中，常因开关的能耗高和控制精度低，导致反应效率不高，产品质量不稳定。而采用 HTS 100      - 1600 - SCR 后，化学反应能够在更精准的电压控制下进行，反应效率提高了 [X]%，产品的纯度和质量也得到了显著提升，为企业带来了可观的经济效益。

2. 道路 / 轨道 / 船舶行业：在轨道交通领域，某城市的地铁供电系统中采用了 HTS 100 - 1600 - SCR。在地铁运行过程中，需要在不同的供电区间进行电力切换，以确保列车的持续稳定运行      。HTS 100 - 1600 - SCR 凭借其快速的开关速度和高可靠性，被用于供电系统的切换开关。当列车行驶到不同供电区间的交界处时，HTS 100 - 1600 - SCR 能够迅速准确地实现电力切换，保证供电的连续性和稳定性 。相比传统的开关设备，其切换时间缩短了 [X]%，大大

四、应用效果评估

（一）性能表现

1. 电压、电流控制精度：在高校实验室的高电压脉冲实验中，HTS 100 - 1600 - SCR 对电压和电流的控制精度。通过精确控制其导通和关断时间，能够将施加到绝缘材料样品上的电压控制在设定值的 ±[X]% 以内，电流控制在 ±[X]% 以内 。在化工企业的化学反应控制系统中，它同样表现出色，确保高压电源输出的电压和电流稳定在工艺要求的精度范围内，为化学反应提供了稳定可靠的电源条件      。在一些对电压、电流控制精度要求较低的传统开关应用场景中，产品的实验数据偏差较大，无法满足高精度实验或生产工艺的要求。而 HTS 100 - 1600 - SCR 凭借其高精度的控制能力，有效提升了实验和生产的准确性和可靠性。

2. 开关速度：在轨道交通供电系统的电力切换应用中，HTS 100 - 1600 - SCR 展现出了极快的开关速度。其从接收到切换信号到完成电力切换的时间仅为 [X] ms，相比传统开关设备，切换速度提升了 [X]% 。这使得地铁在不同供电区间的过渡过程中，能够实现快速、平稳的电力切换，避免了因切换时间过长而导致的列车供电中断或电压波动问题，保障了列车的安全、稳定运行      。在高压脉冲电源等对开关速度要求较高的应用场景中，快速的开关速度能够满足高频率脉冲信号的产生需求，使得相关设备能够在更短的时间内完成多次开关操作，提高了设备的工作效率和性能。

（二）经济效益

1. 节能方面：由于 HTS 100 - 1600 - SCR 低点火能量需求，在长期使用中，能够显著降低设备的能耗。以化工企业为例，采用该开关后，其化学反应控制系统的高压电源部分能耗降低了 [X]% 。在一年的运行时间内，通过节能为企业节省了 [X] 元的电费支出      。在传统的开关设备中，因较高的点火能量需求，导致能源浪费严重，增加了企业的运营成本。而 HTS 100 -      1600 - SCR 的节能特性，有效降低了企业的能源消耗成本，提高了企业的经济效益。

2. 设备维护成本：其高可靠性和稳定性使得设备的故障率大幅降低。在高校实验室的长期使用过程中，几乎没有出现因开关故障而导致的实验中断或设备损坏情况 。在轨道交通供电系统中，相比传统开关设备，使用 HTS 100 - 1600 - SCR 后，设备的维护次数从每年 [X] 次减少到了每年 [X] 次 。每次维护所需的人力、物力成本按 [X] 元计算，一年下来，仅维护成本就节省了 [X] 元 。传统开关设备因性能不稳定，频繁出现故障，不仅增加了维护成本，还可能因设备故障导致生产中断，给企业带来更大的经济损失。而 HTS 100 - 1600 - SCR 凭借其低故障率，有效减少了设备维护成本，提高了设备的运行效率，为企业带来了间接的经济效益。

五、应用注意事项与维护要点

（一）注意事项

1. 避免反向电流：快速推挽式开关（半桥）对感应负载的反向电流或增加的接线电感非常敏感。反向电流可能以不确定的方式导通本征（寄生）MOSFET 二极管 ，这可能导致桥切换路径内的短路，进一步引发灾难性故障。因此，务必确保没有电流回到开关的输出端，可通过使用大的示波器测量来验证。

2. 缓冲电容与阻尼电阻配置：应将足够的缓冲电容（建议采用陶瓷类型）直接连接到 HV 输入，当输出线路较长时，还需使用足够的串联阻尼电阻。这是因为在实际应用中，长输出线路可能会引入额外的电感和电阻，影响电路的稳定性和性能      。合适的缓冲电容和阻尼电阻能够有效地减少电压尖峰和电流冲击，保护 HTS 100 - 1600 - SCR 以及其他电路元件。

3. 续流二极管网络：对于 MOSFET 开关的电感负载，需要配备一个快速的续流二极管网络，该网络由串联阻塞二极管和并联续流二极管组成      。该保护二极管网络可以通过 BEHLKE FDA 系列的单个二极管安装在外部，也可以作为选件 I - FWDN 集成到开关模块中 。续流二极管网络能够在电感负载断电时，为电感电流提供一个释放路径，避免因电感电流突变产生的高电压对开关造成损坏      。

（二）维护要点

1. 定期检查：建立定期检查制度，每隔一定时间（如一个月或一季度）对使用 HTS 100 - 1600 - SCR 的设备进行全面检查。检查内容包括开关的外观是否有损坏、变形，连接线路是否松动、老化，以及相关的散热装置是否正常运行等      。例如，查看开关外壳是否有裂缝，若发现裂缝，可能会导致内部元件暴露，影响设备的绝缘性能和安全性；检查连接线路的接头处是否有氧化、腐蚀现象，若有则可能会增加接触电阻，导致发热甚至线路故障。

2. 清洁维护：保持开关及周边环境的清洁，防止灰尘、油污等杂质进入开关内部。可使用干净的软布定期擦拭开关表面，对于一些难以擦拭的部位，可使用压缩空气进行吹扫      。在一些灰尘较多的工业环境中，灰尘可能会积聚在开关的散热片上，影响散热效果，导致开关温度升高，进而影响其性能和寿命。

3. 故障排查与解决：当设备出现故障时，首先要判断是否是 HTS 100 - 1600 - SCR 出现问题。若怀疑是开关故障，可通过专业的检测设备，如示波器、万用表等，检测开关的各项参数，包括电压、电流、导通电阻等      。若发现开关的导通电阻异常增大，可能是内部晶闸管管芯出现损坏；若检测到电压异常，可能是开关的绝缘性能下降或控制电路出现问题 。根据检测结果，采取相应的解决措施，如更换损坏的元件、修复控制电路等      。对于一些复杂的故障，若无法自行解决，应及时联系 Behlke 公司的技术支持人员或专业的维修机构进行处理。

六、总结与展望

Behlke 的 HTS 100 - 1600 - SCR 高压开关晶闸管凭借其工作原理，展现出诸多特性，如高 dV/dt 速率承受力、低点火能量需求、安全电压切换范围等 。在高校实验室、化工、轨道交通等多个领域的实际应用中，均取得了出色的效果，无论是在性能表现方面，如高精度的电压、电流控制和快速的开关速度，还是在经济效益层面，如节能和降低设备维护成本，都为用户带来了显著的价值 。

展望未来，随着科技的不断发展，HTS 100 - 1600 - SCR 有望在更多领域得到应用。在新能源领域，如太阳能、风能发电系统中，其高精度的电压、电流控制能力，能够更好地实现电能的稳定输出和转换，提高能源利用效率 。在智能电网建设中，它可用于电力传输和分配系统的关键节点，确保电网在复杂工况下的安全、稳定运行 。在技术发展方向上，未来有望进一步提升其性能，如提高开关速度、降低功耗，以满足更复杂、更严苛的应用需求。同时，随着材料科学和制造工艺的进步，也可能实现产品的小型化、轻量化，使其更易于集成到各种设备中，为各行业的技术创新和发展提供更强大的支持 。

Behlke 开关型号：

Behlke HTS 40-1000-SCR

Behlke HTS 60-1000-SCR

Behlke HTS 60-100-SCR

Behlke HTS 80-1000-SCR

Behlke HTS 100-1600-SCR

Behlke HTS 120-1600-SCR

Behlke HTS 120-100-SCR

Behlke HTS 150-200-SCR

Behlke HTS 160-200-SCR

Behlke HTS 220-1200-SCR

Behlke HTS 240-100-SCR

Behlke HTS 320-200-SCR

Behlke HTS 350-800-SCR

Behlke 开关汉达森热销型号：

Behlke HTS 400-200-SCR

Behlke HTS 440-1200-SCR

Behlke HTS 500-1200-SCR

Behlke HTS 160-500-SCR

Behlke HTS 160-200-SCR

Behlke HTS 160-1600-SCR

Behlke HTS 200-800-SCR

Behlke HTS 220-800-SCR

Behlke HTS 220-1000-SCR

Behlke 开关汉达森热销型号：

Behlke HTS 120-200-SCR

Behlke HTS 120-500-SCR

Behlke HTS 60-200-SCR

Behlke HTS 80-200-SCR

Behlke HTS 80-500-SCR

Behlke HTS 240-800-SCR

Behlke HTS 240-1000-SCR

Behlke HTS 240-1200-SCR

Behlke HTS 300-100-SCR

Behlke HTS 320-200-SCR

Behlke HTS 320-800-SCR

Behlke 开关型号：

Behlke HTS 600-200-SCR

Behlke HTS 640-100-SCR

Behlke HTS 800-100-SCR

Behlke 开关型号：

Behlke HTS 1200-100-SCR

Behlke HTS 1200-2400-SCR

Behlke HTS 1500-1000-SCR

Behlke HTS 40-06

Behlke HTS 50-05

Behlke HTS 60-04

Behlke HTS 80-03

Behlke HTS 160-01

Behlke HTS 20-08

Behlke HTS 30-06

Behlke HTS 50-06

Behlke HTS 90-06

Behlke HTS 150

Behlke HTS 180

Behlke HTS 300

Behlke 开关型号：

Behlke HTS 340

Behlke HTS 100-20

Behlke HTS 200-10

Behlke HTS 220-10

Behlke HTS 200-20

Behlke HTS 400-10

Behlke 开关型号：

Behlke HTS 300-20

Behlke HTS 600-10

Behlke HTS 400-20

Behlke HTS 800-10

Behlke HTS 500-10

Behlke HTS 500-20

Behlke HTS 500-80

Behlke HTS 500-160

Behlke HTS 1000-10

Behlke HTS 1000-20

Behlke HTS 1500-10

Behlke HTS 1500-20

Behlke 开关型号：

Behlke HTS 1500-160

Behlke HTS 2000-160

Behlke HTS 05-160-F

Behlke 开关型号：

Behlke HTS 10-70-F

Behlke HTS 20-36-F

Behlke HTS 30-12-F

Behlke 开关型号：

Behlke HTS 50-12-F

Behlke HTS 20-32-F

Behlke HTS 50-16-F

Behlke HTS 60-16-F

Behlke HTS 80-07-F

Behlke HTS 40-32-F

Behlke HTS 80-16-F

Behlke HTS 50-32-F

Behlke HTS 100-16-F

Behlke 开关型号：

Behlke HTS 140-25-F

Behlke HTS 70-50-F

Behlke HTS 150-25-F

Behlke 开关型号：

Behlke HTS 100-50-F

Behlke HTS 200-25-F

Behlke HTS 400-12-F

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