晶閘管的結(jié)構(gòu)和功能模型

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晶閘管的結(jié)構(gòu)和功能模型

1.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)

如下圖：a）晶閘管元件符號，b）半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，c）等效電路

晶閘管整個(gè)器件由四層三個(gè)pn結(jié)組成。p型參雜的陽極層位于底端，接著是n基區(qū)，p基區(qū)，最后是n+陰極層。

在阻斷狀態(tài)下，不管是在正向加電壓，還是反向加電壓，都有pn結(jié)處于反偏狀態(tài)，晶閘管是一種對稱阻斷器件。

晶閘管可分成兩個(gè)子晶體管，一個(gè)pnp和一個(gè)npn晶體管，當(dāng)給npn晶體管一個(gè)基極電流，它會從集電極拉一個(gè)放大電流IC1 = βNPN.IB。Ic1給pnp三極管提供基極電流，這個(gè)基極電流被pnp晶體管放大βPNP。

? IB = βNPN x βPNP x IB + IG

如果滿足條件βNPN x βPNP ≥ 1，由于兩個(gè)晶體管的電流放大，會建立一個(gè)內(nèi)部正反饋環(huán)，兩個(gè)晶體管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，即使當(dāng)gate驅(qū)動(dòng)電流移除時(shí)，晶閘管還能保持這種狀態(tài)。

在開通過程，保持晶閘管正反饋導(dǎo)通狀態(tài)，需要正極電流大于一定的值，叫做擎住電流latching current（IL)。后文會有關(guān)于IL的講解。

1.2 雙向三端晶閘管的結(jié)構(gòu)

雙向晶閘管（又稱晶體管AC開關(guān)），是兩個(gè)晶閘管以反并聯(lián)的方式集成為一個(gè)晶閘管。雙向晶閘管可以不用區(qū)分陽極和陰極，可以通過公共門極在兩個(gè)方向上觸發(fā)。

雙向晶閘管在一些應(yīng)用可以替代兩個(gè)晶閘管，但是范圍有限，主要限制是因?yàn)樵陔娏鬟^零處雙向晶閘管必須在反向關(guān)斷其電壓。然而在導(dǎo)通模式中器件充滿自由載流子，如果換向時(shí)di/dt太高，電流過零時(shí)仍然存在部分存儲電荷。如果此時(shí)有一個(gè)很高dv/dt的電壓，就會出現(xiàn)誤觸發(fā)，器件不會進(jìn)入阻斷模式。因此雙向晶閘管允許的di/dt和dv/dt非常有限，只能在小電流和中等電壓條件下使用。

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晶閘管的特性和重要參數(shù)

2.1晶閘管的I-V特性和工作時(shí)序

如下圖: a)晶閘管的I-V特性，b)晶閘管典型工作波形，c)測試電路

晶閘管只能導(dǎo)通正向電流，從A到K，正向I-V特性有兩個(gè)支：正向阻斷模式和正向?qū)Ｊ健?/p>

正向阻斷模式中漏電流上升到最大允許值對應(yīng)的電壓稱為VDRM，正向阻斷最大電壓。反向最大允許的電流對應(yīng)的電壓稱為VRRM。

在正向?qū)Ｊ街校娏鱅T對應(yīng)的壓降為VT。對于大電流的情況，I-V特性曲線類似于功率二極管的正向特性。

可控硅工作時(shí)序：

1）當(dāng)A-K間電壓VT是正時(shí)，施加一個(gè)正門極電流，SCR開通；

2）當(dāng)SCR通過的電流高于擎住電流latching current時(shí)，移除門極驅(qū)動(dòng)脈沖，SCR保持開通。

3）當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到0，SCR關(guān)斷。需要注意的是，SCR在電流低于保持電流時(shí)holding current就會關(guān)斷。

4）接感性負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流滯后于電壓，當(dāng)SCR關(guān)斷時(shí)，會有一個(gè)線電壓突然加在SCR上，后文會講述關(guān)斷時(shí)需要限制這個(gè)電壓上升率。

2.2 SCR重要的兩個(gè)參數(shù)：擎住電流latching current和保持電流holding current

擎住電流IL ：在一個(gè)10us出發(fā)脈沖的末尾能使晶閘管安全轉(zhuǎn)入導(dǎo)通模式，并在門極信號歸零后還能安全地維持導(dǎo)通狀態(tài)所需的最小陽極電流。

例：在小功率的燈控制應(yīng)用電路，使用雙向晶閘管，當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖移除后，負(fù)載電流還沒達(dá)到IL，晶閘管不能開通。

這種情況需要增加驅(qū)動(dòng)脈沖的寬度，或者選用靈敏型的可控硅，降低擎住電流。

維持電流IH ：保持晶閘管在無門極電流時(shí)處于導(dǎo)通模式所需要的最小陽極電流，該電流確保導(dǎo)通的晶閘管不會關(guān)斷。電流降至IH以下會導(dǎo)致晶閘管關(guān)斷。

例：在可控硅調(diào)光器電路中，輸入端會加EMI濾波器，LC濾波器會產(chǎn)生振蕩，如果振蕩期間最小電流低于IH，晶閘管會關(guān)斷，導(dǎo)致閃爍。

解決方法，需要選用合適的LC濾波器參數(shù)，測試振蕩電流最小值。另外選用低IH的晶閘管。

因?yàn)樵陂_通過程初期，載流子沒有完全涌入整個(gè)器件，所以IL>IH,一般擎住電流是維持電流的2倍。

2.3晶閘管參數(shù)說明

1、斷態(tài)及反向重復(fù)峰值電壓VDRM和VRRM

控制極斷路，在一定的溫度下，允許重復(fù)加在管子上的正向電壓為斷態(tài)重復(fù)峰值電壓，用VDRM表示。這個(gè)數(shù)值是不重復(fù)峰值電壓VDSM的90％，而不重復(fù)峰值電壓即為正向伏安特性曲線急劇彎曲點(diǎn)所決定的斷態(tài)峰值電壓。

反向重復(fù)峰值電壓用VRRM表示，它也是在控制極開路條件下，規(guī)定一定的溫度，允許重復(fù)加在管子上的反向電壓，同樣，VRRM為反向不重復(fù)峰值電壓VRSM的90％。

“重復(fù)”是指重復(fù)率為每秒50次．持續(xù)時(shí)間不大于10ms。

VDRM和VRRM隨溫度的升高而降低，在測試條件中，將對溫度作嚴(yán)格的規(guī)定。

生產(chǎn)廠把VDRM和VRRM中較小的一個(gè)數(shù)值作為管子的額定電壓。

2、斷態(tài)漏電流IDRM和反向漏電流IRRM

對應(yīng)VDRM和VRRM的漏電流為斷態(tài)漏電流和反向漏電流，分別用IDRM 和IRRM表示。這個(gè)數(shù)值用峰值表示。

3、額定通態(tài)電流IT

在環(huán)境溫度為40℃和規(guī)定的冷卻條件下，在單相工頻(即50Hz)正弦半波電路中，導(dǎo)通角為不小于170°，負(fù)載為電阻性，當(dāng)結(jié)溫穩(wěn)定且不超過額定結(jié)溫時(shí)，管子所允許的最大通態(tài)電流為額定通態(tài)電流。這個(gè)值用平均值和有效值分別表示。

4、通態(tài)電壓VTM

在規(guī)定環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，管子在額定通態(tài)電流IT時(shí)所對應(yīng)的陽極和陰極之間的電壓為通態(tài)電壓，即一般稱為管壓降。此值用峰值表示。

這是一個(gè)很重要的多數(shù)，晶閘管導(dǎo)通時(shí)的正向損耗主要由IT與VTM之積決定，希望VTM越小越好。

5、維持電流IH

在室溫下，控制極開路，晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通后，維持導(dǎo)通狀態(tài)所必須的最小電流。也就是說，在室溫下，在控制極回路通以幅度和寬度都足夠大的脈沖電流，同時(shí)在陽極和陰極之間加上電壓，使管子完全開通。然后去掉控制極觸發(fā)信號，緩慢減小正向電流，管子突然關(guān)斷前瞬間的電流即為維持電流。

6、控制極觸發(fā)電流IGT和觸發(fā)電壓VGT

在室溫條件下，晶閘管陽極和陰極間施加6v或12v的直流電壓，使管子完全開通所必須的最小控制極直流電流為控制極觸發(fā)電流IGT。普通晶間管的IGT 一般為數(shù)毫安至幾百毫安；高靈敏晶閘管的IGT小至數(shù)微安。
對應(yīng)控制極觸發(fā)電流的控制極電壓稱為控制極觸發(fā)電壓VGT。

7、浪涌電流

在規(guī)定條件下，晶閘管通以額定電流，穩(wěn)定后，在工頻正弦波半周期間內(nèi)管子能承受的最大過載電流。同時(shí)，緊接浪涌后的半周期間應(yīng)能承受規(guī)定的反向電壓。浪涌電流用峰值表示，是不重復(fù)的額定值；在管子的壽命期內(nèi)，浪涌次數(shù)有一定的限制。

8、斷態(tài)電壓臨界上升率(dv/dt)

在額定結(jié)溫和控制極斷路條件下，使管子從截止轉(zhuǎn)人導(dǎo)通的最低電壓上升率稱為斷態(tài)電壓臨界上升率，用dv/dt表示，希望這個(gè)數(shù)值愈大愈好。50-100A晶閘管的dv/dt≥25V/μs，200A以上管子的dv/dt≥50V/μs。

9、通態(tài)電流臨界上升率(di/dt)

在規(guī)定條件下，管子在控制極開通時(shí)能承受而不導(dǎo)致?lián)p壞的通態(tài)電流的最大上升率稱為通態(tài)電流臨界上升率，用di/dt表示。管子在開通瞬間產(chǎn)生很大的功率損耗，而且這種損耗由于導(dǎo)通擴(kuò)展速度有限，總是集中在控制極附近的陰極區(qū)域，如果管子的di/dt耐力不夠，就容易引起過熱點(diǎn)，導(dǎo)致控制權(quán)永久性破壞，對大電流的管子，這個(gè)問題更為突出。

10、控制極開通時(shí)間（tgt）

當(dāng)控制極加上足夠的觸發(fā)信號后，晶閘管并不立即導(dǎo)通，而是要延遲一小段時(shí)間。這延遲的一小段時(shí)間稱為開通時(shí)間tgt。具體規(guī)定是控制極觸發(fā)脈沖前沿的10％到陽極電壓下降至10％的時(shí)間為tgt。

11、電路換向關(guān)斷時(shí)間（tq）

從通態(tài)電流降至零這一瞬間起到管子開始能承受規(guī)定的斷態(tài)電壓瞬間為止的時(shí)間間隔稱為電路換向關(guān)斷時(shí)間tq。

開通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq決定管子的工作頻率，工作頻率較高的電路要選用tq小的管子(tq小，tgt會更小)。這一參數(shù)是普通晶閘管和快速晶閘管的主要區(qū)別。關(guān)斷時(shí)間tq的大小除了和管子內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)以外，還與應(yīng)用條件有很大關(guān)系，關(guān)斷前晶閘管所通電流大小、溫度、關(guān)斷時(shí)所加反向電壓大小等因素。

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晶閘管SCR的選型

3.1晶閘管SCR電流降額

一般情況，SCR可以使用到的最大電流只和工作溫度相關(guān)，除非一些應(yīng)用限制關(guān)斷時(shí)電流下降速度。

SCR的結(jié)溫

TJ = TA + Pd．Rth(j-a)

TJ = TC + Pd．Rth(j-c)

Pd = VTO．IT(AV) + RD．I2T(RMS

VTo是門限電壓，RD是動(dòng)態(tài)阻抗。

對于正弦負(fù)載的應(yīng)用，需要兩個(gè)SCR，每個(gè)的功率損耗是