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晶閘管(SCR)是一種半導體開(kāi)關(guān)器件。早在1956年，Moll等人就發(fā)表了這種開(kāi)關(guān)器件的理論基礎。盡管低功率器件在當代開(kāi)關(guān)領(lǐng)域已基本銷(xiāo)聲匿跡，并被高壓雙極結型晶體管(BJT)、金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管(MOSFET)及絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等所取代，但它們在兆瓦級開(kāi)關(guān)器件領(lǐng)域仍無(wú)可替代，例如2kA、1.2kV的SCR就被應用于機車(chē)驅動(dòng)器中，或用來(lái)控制鋁材生產(chǎn)廠(chǎng)中的電爐等。 SCR是一種具有如圖1a所示的晶體管等效電路的四層半導體器件。 圖1：一個(gè)基本的SCR類(lèi)結構(a)，獲得一定值的門(mén)極電流和維持電流(b)，以及大幅改進(jìn)的耐瞬變電壓性能，從而有效防止陽(yáng)極電壓陡增引起的意外導通(c)。 該器件一開(kāi)始處于關(guān)斷狀態(tài)，在正向電流脈沖饋入門(mén)極1后，這個(gè)位于陽(yáng)極和陰極之間的四層結構被導通，并且不再需要門(mén)極電流。此處還可以使用Q2基極導通SCR，但是單片SCR通常只有針對陰極的門(mén)極。 在一個(gè)更貼近實(shí)際的晶體管模型中，PNP和NPN晶體管都帶有基極發(fā)射極電阻(如圖1b所示)。因而避免了由Q1和Q2的漏電流而引起的意外導通，并且門(mén)極電流具有如下的限定值： SCR普遍存在的一個(gè)不足是：如果陽(yáng)極電壓上升時(shí)間超過(guò)臨界速率，即使門(mén)極電流為零，SCR也會(huì )導通。此時(shí)的陽(yáng)極電壓稱(chēng)為換相電壓，當陽(yáng)極電流歸零并降至維持水平以下時(shí)，在感性負載切換過(guò)程中會(huì )出現換相電壓。電感中聚集的能量容易導致陽(yáng)極電壓陡然升高。此外，當利用至少由兩只以上以模擬多路開(kāi)關(guān)形式連接的SCR對阻性負載進(jìn)行切換時(shí)，其中一只SCR被導通并使另一只SCR陽(yáng)極電壓陡然升高，此時(shí)也會(huì )出現換相電壓。 圖1b所示電路中，換相電壓斜率臨界值為： 其中，VBE0約為0.7V(硅晶體管導通的典型電壓)，CCB01和CCB02為晶體管Q1和Q2的集電極至基極電容量。由于這些電容值會(huì )隨著(zhù)發(fā)射極至集電極電壓的升高而降低，在方程式(1)中必須使用這些電容的最大值。針對圖2中所使用的晶體管，可估計CCB01+CCB02＜20pF。由RB1=RB2=6.8kΩ，可知SVcrit≈5V/μs。與單片SCR的換相電壓斜率臨界值(通常約等于100V/μs)相比較，圖2中SVcrit值相當低。雖然降低電阻器RB1和RB2的電阻值有所幫助，但這樣會(huì )影響門(mén)極靈敏度(圖1b中電路可以做得非常靈敏，只需要100μA左右的門(mén)極電流即可—相當于低功率單片SCR典型值的十分之一)。 圖2：增加兩個(gè)電容值為1nF的SMD陶瓷電容器后，可以在ΔV達到10V的情況下防止導通。 圖1c顯示了在保持低門(mén)極導通電流的同時(shí)增加換相電壓臨界斜率的方法。通過(guò)將電容器C與NPN及PNP晶體管的基極發(fā)射極結并聯(lián)，理論上可以得出無(wú)窮大的斜率值。電容器C的值為： 此處，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設陽(yáng)極電壓呈線(xiàn)性升高，而△V為其升高的幅度。由所用晶體管基極電流允許的最大值可以得出實(shí)際的換相電壓斜率臨界值： 假設IBmax=200mA，則通過(guò)方程式(3)可以得出SVcrit的實(shí)際值，即SVcrit≈100kV/μs。 在實(shí)驗中，圖2中的2N4036 PNP晶體管因其切換魯棒性而被采用，其基極電流最大值為500mA，而集電極電流最大值則為1A。在圖2中，使分立式SCR的陽(yáng)極電壓陡然發(fā)生改變(在30ns內使△V達到9V或使SVcrit達到300V/μs)后，未觀(guān)察到導通現象。 |
