晶閘管的工作原理與應(yīng)用

時(shí)間：2022-01-20作者：上海秦邦電子科技有限公司瀏覽：261

1 晶閘管(SCR)

晶閘管簡(jiǎn)稱晶閘管，又稱可控硅整流元件(SCR),是由三個(gè)PN一種由結(jié)構(gòu)組成的大功率半導(dǎo)體設(shè)備。在性能方面，晶閘管不僅具有單向?qū)щ娦?，而且比硅整流元件具有較有**的可控性。它只有兩種狀態(tài)：導(dǎo)電和關(guān)閉。

晶閘管有許多優(yōu)點(diǎn)，如：小功率控制大功率，功率放大倍數(shù)高達(dá)數(shù)十萬倍；反應(yīng)快，微秒內(nèi)開關(guān)；無接觸操作，無火花，無噪音；效率高，成本低。因此，特別是在大功率方面UPS晶閘管廣泛應(yīng)用于整流電路、靜態(tài)旁路開關(guān)、無觸點(diǎn)輸出開關(guān)等電路。

晶閘管的弱點(diǎn)：靜態(tài)和動(dòng)態(tài)過載能力差，易受干擾和誤導(dǎo)。

晶閘管主要分為螺栓形、平板形和平底形。

2 普通晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理

晶閘管是PNPN四層三端器件有三個(gè)PN結(jié)。在分析原理時(shí)，可以認(rèn)為是由一個(gè)PNP管和一個(gè)NPN管所由圖1組成(a)所示,圖1(b)是晶閘管的電路符號(hào)。

圖1 晶閘管等效圖

2.1 晶閘管的工作過程

晶閘管是四層三端器件，它有J1、J2、J3三個(gè)PN結(jié)，可以在中間NP分為兩部分，形成一個(gè)部分PNP型三極管和一個(gè)NPN三極管復(fù)合管。

當(dāng)晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓時(shí)，必須承受反向電壓才能導(dǎo)通晶閘管PN結(jié)J2.失去阻擋。每個(gè)晶體管的集電極電流是另一個(gè)晶體管的基較電流。因此，當(dāng)有足夠的門較電流時(shí)，兩個(gè)相互復(fù)合的晶體管電路Ig流入時(shí)，會(huì)形成強(qiáng)烈的正反饋，導(dǎo)致兩晶體管飽和導(dǎo)通。

設(shè)PNP管和NPN管的集電極電流分別為IC1和IC2.**較電流相應(yīng)Ia和Ik,電流放大系數(shù)對(duì)應(yīng)α1=IC1/Ia和α2=IC2/Ik,設(shè)流過J結(jié)的反相漏電流為ICO,晶閘管的陽(yáng)極電流等于兩管集電極電流和漏電流的總和：

Ia="IC1" IC2 ICO

=α1Ia α2Ik ICO (1)

若門較電流為Ig,晶閘管陰極電流為：Ik=Ia Ig。

因此,可以得出晶閘管陽(yáng)極電流為:

(2)

硅PNP管和硅NPN相應(yīng)的電流放大系數(shù)α1和α隨著**較電流的變化而迅速變化。當(dāng)晶閘管承受正陽(yáng)極電壓，門較不接受電壓時(shí)，類型（1）Ig=0,(α1 α2)很小，所以晶閘管的陽(yáng)極電流Ia≈ICO,晶閘管處于正阻狀態(tài)；當(dāng)晶閘管處于正向門較電壓下時(shí)，從門較G流入電流Ig,足夠大Ig流經(jīng)NPN從而提高放大系數(shù)α2.產(chǎn)生足夠大的集電極電流IC2流過PNP管道的**結(jié)得到了改善PNP管道的電流放大系數(shù)α1.產(chǎn)生較大的集電極電流IC1流經(jīng)NPN如此強(qiáng)烈的正反饋過程烈的正反饋過程快速進(jìn)行。

當(dāng)α1和α隨著**較電流的增加，2(α1 α2)≈1時(shí)，分母1中的分母1-(α1 α2)≈因此，晶閘管的陽(yáng)極電流增加了Ia。此時(shí)，流過晶閘管的電流完全由主電路的電壓和電路電阻決定，晶閘管處于正向?qū)顟B(tài)。晶閘管導(dǎo)通后，類型（1）中的1-(α1 α2)≈即使此時(shí)門較電流Ig=0.晶閘管仍能保持原陽(yáng)極電流Ia如果繼續(xù)導(dǎo)通，門較就失去了功能。晶閘管導(dǎo)通后，如果不斷降低電源電壓或增加電路電阻，陽(yáng)極電流Ia減少到維持電流IH因?yàn)棣?和α2迅速下降，晶閘管恢復(fù)到阻斷狀態(tài)。

2.2 晶閘管工作條件

由于晶閘管只有兩種工作狀態(tài)：導(dǎo)通和關(guān)閉，因此具有開關(guān)特性，需要一定的條件才能轉(zhuǎn)換，見表1。

表1 晶閘管導(dǎo)通及關(guān)閉條件

(1)當(dāng)晶閘管承受反向陽(yáng)極電壓時(shí)，無論門較承受什么電壓，晶閘管都處于關(guān)閉狀態(tài)。

(2)當(dāng)晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓時(shí)，晶閘管只能在門較承受正向電壓時(shí)導(dǎo)通。

(3)只要晶閘管有一定的正陽(yáng)極電壓，無論門較電壓如何，晶閘管都會(huì)保持導(dǎo)通，即晶閘管導(dǎo)通后，門較就會(huì)失去功能。

(4)當(dāng)主電路電壓(或電流)降低到接近零時(shí)，晶閘管關(guān)閉。

3 晶閘管的伏安特性及主要參數(shù)

3.1 晶閘管的伏安特性

晶閘管陽(yáng)極A與陰極K電壓與晶閘管陽(yáng)極電流的關(guān)系稱為晶閘管伏安特性，如圖2所示。正向特性位于**象限，反向特性位于*三象限。

圖2 晶閘管伏安特性參數(shù)示意圖

(1) 反向特性

當(dāng)門較G開路時(shí)，陽(yáng)極加反向電壓(見圖3)，J2結(jié)正偏,但J1、J2結(jié)反偏。當(dāng)電壓進(jìn)一步升高到時(shí)，只能流過小的反向飽和電流J1結(jié)雪崩擊穿電壓后，同時(shí)J3結(jié)也被擊穿，電流迅速增加，如圖2所示OR段開始彎曲，彎曲處的電壓URO稱為反向轉(zhuǎn)折電壓。此后，晶閘管將*反向擊穿。

圖3 陽(yáng)極反向電壓 圖4 陽(yáng)極正向電壓

(2) 正特性

當(dāng)門較G開路,陽(yáng)極A加上正電壓(見圖4)，J1、J3結(jié)正偏,但J結(jié)反偏，這與普通有關(guān)PN結(jié)的反向特性相似，只能流過小電流，稱為正阻狀態(tài)。當(dāng)電壓升高時(shí)，如圖2所示OA段開始彎曲,彎曲處的電壓UBO稱為正轉(zhuǎn)折電壓。

由于電壓升高到J2結(jié)雪崩擊穿電壓后，J2.雪崩倍增效應(yīng)在結(jié)區(qū)產(chǎn)生大量電子和空穴，電子進(jìn)入N1區(qū)，空穴進(jìn)入P2區(qū)。進(jìn)入N1區(qū)電子與由P1區(qū)通過J1結(jié)注入N1區(qū)空穴復(fù)合。同樣，進(jìn)入P2區(qū)空穴與由N2區(qū)通過J3結(jié)注入P2區(qū)電子復(fù)合，雪崩擊穿后，進(jìn)入N電子與進(jìn)入1區(qū)P2區(qū)的空穴不能全部復(fù)合。這樣，在N一區(qū)有電子積累，在P2區(qū)有空穴積累，結(jié)果使得P2區(qū)電位升高，N1區(qū)電位下降，J2結(jié)變成正偏，只要電流稍微增加，電壓就會(huì)迅速下降，出現(xiàn)所謂的負(fù)阻特性，見圖2中的虛線AB段。這時(shí)J1、J2、J三個(gè)結(jié)均處于正偏，晶閘管進(jìn)入正導(dǎo)電狀態(tài)-通態(tài)。此時(shí)，它的特性和普通性PN結(jié)正向特性相似，如圖2所示BC段。

(3) 觸發(fā)導(dǎo)通

在門較G當(dāng)添加正向電壓時(shí)(如圖5所示)J3正偏,P進(jìn)入2區(qū)空穴N2區(qū),N電子進(jìn)入2區(qū)P二區(qū)形成觸發(fā)電流IGT。在晶閘管內(nèi)部正反饋功能(如圖2所示)的基礎(chǔ)上，加上IGT晶閘管的作用是提前導(dǎo)通，導(dǎo)致圖2中的伏安特性O(shè)A段左移,IGT特征左移越大越快。

圖5 陽(yáng)極和門的較端正電壓

3.2 晶閘管主要參數(shù)

(1)峰值電壓斷態(tài)重復(fù)UDRM

門較開路，重復(fù)率為每秒50次，每次持續(xù)時(shí)間不**過10次ms斷態(tài)較大脈沖電壓，UDRM=90%UD ** ,UD ** 峰值電壓不重復(fù)為斷態(tài)。UD ** 應(yīng)比UBO小，由廠家決定留下的余量。

(2)反向重復(fù)峰值電壓URRM

其定義同UDRM相似,URRM=90%UR ** ,UR ** 峰值電壓反向不重復(fù)。

(3)額定電壓

選UDRM和URRM額定電壓為中小值，正常工作峰值電壓為2～三倍，應(yīng)能承受頻繁的過電壓。(未完待續(xù))

注：文章中的公式和符號(hào)主要發(fā)表在雜志上。


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