【硬見小百科】晶閘管工作原理

1、晶閘管(SCR)
晶體閘流管簡(jiǎn)稱晶閘管,也稱為可控硅整流元件(SCR),是由三個(gè)PN結(jié)構(gòu)成的一種大功率半導(dǎo)體器件。在性能上,晶閘管不僅具有單向?qū)щ娦?而且還具有比硅整流元件更為可貴的可控性,它只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)。

晶閘管的優(yōu)點(diǎn)很多,例如:以小功率控制大功率,功率放大倍數(shù)高達(dá)幾十萬倍;反應(yīng)極快,在微秒級(jí)內(nèi)開通、關(guān)斷;無觸點(diǎn)運(yùn)行,無火花、無噪聲;效率高,成本低等。因此,特別是在大功率UPS供電系統(tǒng)中,晶閘管在整流電路、靜態(tài)旁路開關(guān)、無觸點(diǎn)輸出開關(guān)等電路中得到廣泛的應(yīng)用。
晶閘管的弱點(diǎn):靜態(tài)及動(dòng)態(tài)的過載能力較差,容易受干擾而誤導(dǎo)通。
晶閘管從外形上分類主要有: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,共有三個(gè)PN結(jié)。分析原理時(shí),可以把它看作是由一個(gè)PNP管和一個(gè)NPN管所組成,其等效圖解如圖1(a)所示,圖1(b)為晶閘管的電路符號(hào)。

圖1 晶閘管等效圖解圖

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),可以把它中間的NP分成兩部分,構(gòu)成一個(gè)PNP型三極管和一個(gè)NPN型三極管的復(fù)合管。
當(dāng)晶閘管承受正向陽極電壓時(shí),為使晶閘管導(dǎo)通,必須使承受反向電壓的PN結(jié)J2失去阻擋作用。每個(gè)晶體管的集電極電流同時(shí)就是另一個(gè)晶體管的基極電流。因此是兩個(gè)互相復(fù)合的晶體管電路,當(dāng)有足夠的門極電流Ig流入時(shí),就會(huì)形成強(qiáng)烈的正反饋,造成兩晶體管飽和導(dǎo)通。
設(shè)PNP管和NPN管的集電極電流分別為IC1和IC2,發(fā)射極電流相應(yīng)為Ia和Ik,電流放大系數(shù)相應(yīng)為α1=IC1/Ia和α2=IC2/Ik,設(shè)流過J2結(jié)的反相漏電流為ICO,晶閘管的陽極電流等于兩管的集電極電流和漏電流的總和:
Ia=IC1+IC2+ICO
=α1Ia+α2Ik+ICO (1)
若門極電流為Ig,則晶閘管陰極電流為:Ik=Ia+Ig。
因此,可以得出晶閘管陽極電流為:

(2)硅PNP管和硅NPN管相應(yīng)的電流放大系數(shù)α1和α2隨其發(fā)射極電流的改變而急劇變化。當(dāng)晶閘管承受正向陽極電壓,而門極未接受電壓的情況下,式(1)中Ig=0,(α1+α2)很小,故晶閘管的陽極電流Ia≈ICO,晶閘管處于正向阻斷狀態(tài);當(dāng)晶閘管在正向門極電壓下,從門極G流入電流Ig,由于足夠大的Ig流經(jīng)NPN管的發(fā)射結(jié),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管的發(fā)射結(jié),并提高了PNP管的電流放大系數(shù)α1,產(chǎn)生更大的集電極電流IC1流經(jīng)NPN管的發(fā)射結(jié),這樣強(qiáng)烈的正反饋過程迅速進(jìn)行。

當(dāng)α1和α2隨發(fā)射極電流增加而使得(α1+α2)≈1時(shí),式(1)中的分母1-(α1+α2)≈0,因此提高了晶閘管的陽極電流Ia。這時(shí),流過晶閘管的電流完全由主回路的電壓和回路電阻決定,晶閘管已處于正向?qū)顟B(tài)。晶閘管導(dǎo)通后,式(1)中1-(α1+α2)≈0,即使此時(shí)門極電流Ig=0,晶閘管仍能保持原來的陽極電流Ia而繼續(xù)導(dǎo)通,門極已失去作用。在晶閘管導(dǎo)通后,如果不斷地減小電源電壓或增大回路電阻,使陽極電流Ia減小到維持電流IH以下時(shí),由于α1和α2迅速下降,晶閘管恢復(fù)到阻斷狀態(tài)。
2.2、晶閘管的工作條件
由于晶閘管只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài),所以它具有開關(guān)特性,這種特性需要一定的條件才能轉(zhuǎn)化,此條件見表1。

表1 晶閘管導(dǎo)通和關(guān)斷條件

(1)晶閘管承受反向陽極電壓時(shí),無論門極承受何種電壓,晶閘管都處于關(guān)斷狀態(tài)。
(2)晶閘管承受正向陽極電壓時(shí),僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導(dǎo)通。
(3)晶閘管在導(dǎo)通情況下,只要有一定的正向陽極電壓,無論門極電壓如何,晶閘管保持導(dǎo)通,即晶閘管導(dǎo)通后,門極失去作用。
(4)晶閘管在導(dǎo)通情況下,當(dāng)主回路電壓(或電流)減小到接近于零時(shí),晶閘管關(guān)斷。
3、晶閘管的伏安特性和主要參數(shù)
3.1、晶閘管的伏安特性
晶閘管陽極A與陰極K之間的電壓與晶閘管陽極電流之間關(guān)系稱為晶閘管伏安特性,如圖2所所示。正向特性位于第一象限,反向特性位于第三象限。

圖2 晶閘管伏安特性參數(shù)示意圖

(1) 反向特性
當(dāng)門極G開路,陽極加上反向電壓時(shí)(見圖3),J2結(jié)正偏,但J1、J2結(jié)反偏。此時(shí)只能流過很小的反向飽和電流,當(dāng)電壓進(jìn)一步提高到J1結(jié)的雪崩擊穿電壓后,同時(shí)J3結(jié)也擊穿,電流迅速增加,如圖2的特性曲線OR段開始彎曲,彎曲處的電壓URO稱為“反向轉(zhuǎn)折電壓”。此后,晶閘管會(huì)發(fā)生永久性反向擊穿。

圖3 陽極加反向電壓

圖4 陽極加正向電壓

(2) 正向特性
當(dāng)門極G開路,陽極A加上正向電壓時(shí)(見圖4),J1、J3結(jié)正偏,但J2結(jié)反偏,這與普通PN結(jié)的反向特性相似,也只能流過很小電流,這叫正向阻斷狀態(tài),當(dāng)電壓增加,如圖2的特性曲線OA段開始彎曲,彎曲處的電壓UBO稱為“正向轉(zhuǎn)折電壓”。

由于電壓升高到J2結(jié)的雪崩擊穿電壓后,J2結(jié)發(fā)生雪崩倍增效應(yīng),在結(jié)區(qū)產(chǎn)生大量的電子和空穴,電子進(jìn)入N1區(qū),空穴進(jìn)入P2區(qū)。進(jìn)入N1區(qū)的電子與由P1區(qū)通過J1結(jié)注入N1區(qū)的空穴復(fù)合。同樣,進(jìn)入P2區(qū)的空穴與由N2區(qū)通過J3結(jié)注入P2區(qū)的電子復(fù)合，雪崩擊穿后，進(jìn)入N1區(qū)的電子與進(jìn)入P2區(qū)的空穴各自不能全部復(fù)合掉。這樣，在N1區(qū)就有電子積累，在P2區(qū)就有空穴積累，結(jié)果使P2區(qū)的電位升高，N1區(qū)的電位下降，J2結(jié)變成正偏，只要電流稍有增加,電壓便迅速下降，出現(xiàn)所謂負(fù)阻特性，見圖2中的虛線AB段。這時(shí)J1、J2、J3三個(gè)結(jié)均處于正偏，晶閘管便進(jìn)入正向?qū)щ姞顟B(tài)——通態(tài),此時(shí)，它的特性與普通的PN結(jié)正向特性相似，如圖2的BC段。
(3) 觸發(fā)導(dǎo)通
在門極G上加入正向電壓時(shí)(如圖5所示),因J3正偏,P2區(qū)的空穴進(jìn)入N2區(qū),N2區(qū)的電子進(jìn)入P2區(qū),形成觸發(fā)電流IGT。在晶閘管的內(nèi)部正反饋?zhàn)饔?如圖2)的基礎(chǔ)上,加上IGT的作用,使晶閘管提前導(dǎo)通,導(dǎo)致圖2中的伏安特性O(shè)A段左移,IGT越大,特性左移越快。

圖5 陽極和門極均加正向電壓

3.2、晶閘管的主要參數(shù)
(1)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM
門極開路,重復(fù)率為每秒50次,每次持續(xù)時(shí)間不大于10ms的斷態(tài)最大脈沖電壓,UDRM=90%UDSM,UDSM為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓。UDSM應(yīng)比UBO小,所留的裕量由生產(chǎn)廠家決定。
(2)反向重復(fù)峰值電壓URRM
其定義同UDRM相似,URRM=90%URSM,URSM為反向不重復(fù)峰值電壓。
(3)額定電壓
選UDRM和URRM中較小的值作為額定電壓,選用時(shí)額定電壓應(yīng)為正常工作峰值電壓的2～3倍,應(yīng)能承受經(jīng)常出現(xiàn)的過電壓。

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