半导体开关器件晶闸管的特点及应用分析

晶闸管(SCR)是一种半导体开关器件。早在1956年，Moll等人就发表了这种开关器件的理论基础。虽然低功率器件在当代开关领域已经基本消失，并被高压双极结型晶体管(BJT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)所取代，但它们在兆瓦级开关器件领域仍然是不可替代的。例如，2kA和1.2kV可控硅用于机车司机或用于控制铝生产厂的电炉。
可控硅是四层半导体器件，晶体管等效电路如图如图1a所示。
半导体开关器件用晶闸管的特点及应用分析
半导体开关器件用晶闸管的特点及应用分析
图1:一种基本的可控硅结构(A)，获得一定的门极电流和保持电流(B)，大大提高了瞬态电压电阻，从而有效防止了阳极电压(C)突然升高而导致的意外导通。
设备一开始是关闭的。在正向电流脉冲被馈送到门极1之后，阳极和阴极之间的四层结构被打开，并且不再需要门极电流。Q2 基极导通可控硅也可以用在这里，但是单个可控硅通常只有门极做阴极。
在一个更现实的晶体管模型中，PNP和NPN晶体管都有基极-发射极电阻(如如图1b所示)。因此，避免了由Q1和Q2漏电流引起的意外导通，并且门极电流具有以下限制值：
可控硅的一个常见缺点是，如果阳极电压的上升时间超过临界速率，即使门极电流为零，可控硅也会导通。此时的阳极电压称为换相电压。当阳极电流归零并降至维持水平以下时，换相电压将在感性负载切换过程中出现。电感器中积累的能量很容易导致阳极电压的突然上升。此外，当阻性负载由至少两个以模拟多开关形式连接的可控硅开关切换时，一个可控硅导通，另一个可控硅的阳极电压突然上升，然后换相电压也出现。
在图1b所示的电路中，换相电压斜率的临界值是：
其中，VBE0约为0.7V(硅晶体管导通的典型电压)，CCB01和CCB02是晶体管Q1和Q2的集电极-基极电容。由于这些电容值随着发射极-集电极电压的增加而减小，因此公式(1)中必须使用这些电容的最大值。关于图2中使用的晶体管，可以估计ccb01ccb02 <20pf。根据Rb1=rb2=6.8k可知，svcrit   5v/ s，与单个可控硅换相电压斜率的临界值(通常约为100V/s)相比，图2中的svcrit值相当低。虽然降低电阻RB1和RB2的阻值是有帮助的，但会影响门极的灵敏度(图1b中的电路可以做得非常灵敏，只需要约100A的门极电流，相当于低功率单片可控硅典型值的十分之一)。
图2:增加两个电容值为1nF的贴片陶瓷电容后，当 V达到10V时可以阻止导通。
图1c示出了在保持门极低导通电流的同时增加换相电压的临界斜率的方法。通过将电容C与NPN和PNP晶体管的基极-发射极结并联，理论上可以得到无限大的斜率值。电容c的值为：
这里，为了简单起见，假设阳极电压线性增加，V是其增加的幅度。换相电压斜率的实际临界值可从所用晶体管的最大允许基极电流获得：
给定IBmax=200mA，SVcrit的实际值可由方程(3)得到，即SVcrit100kV/s.
在实验中，采用了图2中的2N4036PNP晶体管，因为它的开关鲁棒性，它的最大基极电流是500毫安，而最大集电极电流是1A。在图2中，当分立可控硅的阳极电压突然改变后(V达到9V或SVcrit在30ns内达到300V/s)，没有观察到导通现象。