半導(dǎo)體開關(guān)器件晶閘管的特點(diǎn)及應(yīng)用分析

晶閘管(SCR)是一種半導(dǎo)體開關(guān)器件。早在1956年，Moll等人就發(fā)表了這種開關(guān)器件的理論基礎(chǔ)。雖然低功率器件在當(dāng)代開關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)基本消失，并被高壓雙極結(jié)型晶體管(BJT)、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)所取代，但它們在兆瓦級開關(guān)器件領(lǐng)域仍然是不可替代的。例如，2kA和1.2kV可控硅用于機(jī)車司機(jī)或用于控制鋁生產(chǎn)廠的電爐。
可控硅是四層半導(dǎo)體器件，晶體管等效電路如圖如圖1a所示。
半導(dǎo)體開關(guān)器件用晶閘管的特點(diǎn)及應(yīng)用分析
半導(dǎo)體開關(guān)器件用晶閘管的特點(diǎn)及應(yīng)用分析
圖1:一種基本的可控硅結(jié)構(gòu)(A)，獲得一定的門極電流和保持電流(B)，大大提高了瞬態(tài)電壓電阻，從而有效防止了陽極電壓(C)突然升高而導(dǎo)致的意外導(dǎo)通。
設(shè)備一開始是關(guān)閉的。在正向電流脈沖被饋送到門極1之后，陽極和陰極之間的四層結(jié)構(gòu)被打開，并且不再需要門極電流。Q2 基極導(dǎo)通可控硅也可以用在這里，但是單個(gè)可控硅通常只有門極做陰極。
在一個(gè)更現(xiàn)實(shí)的晶體管模型中，PNP和NPN晶體管都有基極-發(fā)射極電阻(如如圖1b所示)。因此，避免了由Q1和Q2漏電流引起的意外導(dǎo)通，并且門極電流具有以下限制值：
可控硅的一個(gè)常見缺點(diǎn)是，如果陽極電壓的上升時(shí)間超過臨界速率，即使門極電流為零，可控硅也會(huì)導(dǎo)通。此時(shí)的陽極電壓稱為換相電壓。當(dāng)陽極電流歸零并降至維持水平以下時(shí)，換相電壓將在感性負(fù)載切換過程中出現(xiàn)。電感器中積累的能量很容易導(dǎo)致陽極電壓的突然上升。此外，當(dāng)阻性負(fù)載由至少兩個(gè)以模擬多開關(guān)形式連接的可控硅開關(guān)切換時(shí)，一個(gè)可控硅導(dǎo)通，另一個(gè)可控硅的陽極電壓突然上升，然后換相電壓也出現(xiàn)。
在圖1b所示的電路中，換相電壓斜率的臨界值是：
其中，VBE0約為0.7V(硅晶體管導(dǎo)通的典型電壓)，CCB01和CCB02是晶體管Q1和Q2的集電極-基極電容。由于這些電容值隨著發(fā)射極-集電極電壓的增加而減小，因此公式(1)中必須使用這些電容的最大值。關(guān)于圖2中使用的晶體管，可以估計(jì)ccb01ccb02 <20pf。根據(jù)Rb1=rb2=6.8k可知，svcrit   5v/ s，與單個(gè)可控硅換相電壓斜率的臨界值(通常約為100V/s)相比，圖2中的svcrit值相當(dāng)?shù)?。雖然降低電阻RB1和RB2的阻值是有幫助的，但會(huì)影響門極的靈敏度(圖1b中的電路可以做得非常靈敏，只需要約100A的門極電流，相當(dāng)于低功率單片可控硅典型值的十分之一)。
圖2:增加兩個(gè)電容值為1nF的貼片陶瓷電容后，當(dāng) V達(dá)到10V時(shí)可以阻止導(dǎo)通。
圖1c示出了在保持門極低導(dǎo)通電流的同時(shí)增加換相電壓的臨界斜率的方法。通過將電容C與NPN和PNP晶體管的基極-發(fā)射極結(jié)并聯(lián)，理論上可以得到無限大的斜率值。電容c的值為：
這里，為了簡單起見，假設(shè)陽極電壓線性增加，V是其增加的幅度。換相電壓斜率的實(shí)際臨界值可從所用晶體管的最大允許基極電流獲得：
給定IBmax=200mA，SVcrit的實(shí)際值可由方程(3)得到，即SVcrit100kV/s.
在實(shí)驗(yàn)中，采用了圖2中的2N4036PNP晶體管，因?yàn)樗拈_關(guān)魯棒性，它的最大基極電流是500毫安，而最大集電極電流是1A。在圖2中，當(dāng)分立可控硅的陽極電壓突然改變后(V達(dá)到9V或SVcrit在30ns內(nèi)達(dá)到300V/s)，沒有觀察到導(dǎo)通現(xiàn)象。