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作者：ADI顧問(wèn)研究員Doug Mercer，ADI系統應用工程師Antoniu Miclaus 本實(shí)驗活動(dòng)的目的是檢查硅控整流器(SCR)的結構和操作。SCR主要用于需要（在高電壓下）控制更高功率的器件中。SCR能夠開(kāi)啟和關(guān)斷大電流，適用于中高壓AC電源控制應用里，例如燈光調節、穩壓器和電機控制。此外，集成電路中可能無(wú)意形成SCR，當它們被觸發(fā)時(shí)，可能導致電路故障，甚至出現可靠性問(wèn)題和造成損壞。 SCR是一種4層固態(tài)電流控制器件，具有三個(gè)端子。它們和傳統二極管一樣具有陽(yáng)極和陰極端子，第三個(gè)為控制端子，被稱(chēng)為柵極。SCR是單向器件：只在一個(gè)方向傳輸電流，就像二極管或整流器一樣。SCR只能由傳輸至柵極的電流觸發(fā)；它兼具二極管的整流功能和晶體管的開(kāi)/關(guān)控制功能。 SCR一般用于電源開(kāi)關(guān)應用。在常閉狀態(tài)下，該器件將電流限制為泄漏電流。當柵極到陰極的電流超過(guò)一定閾值時(shí)，該器件開(kāi)啟并傳輸電流。只要通過(guò)器件的電流高于保持電流，即使在消除柵極電流后，SCR仍然保持開(kāi)啟狀態(tài)。一旦電流低于保持電流一段時(shí)間，器件就會(huì )關(guān)斷。如果柵極出現脈沖，并且通過(guò)器件的電流低于閉鎖電流，器件將保持關(guān)斷狀態(tài)。 圖1b顯示SCR的4層結構，可以看到3個(gè)端子：一個(gè)位于外部P型層上，稱(chēng)為陽(yáng)極A；第二個(gè)位于外部n型層上，稱(chēng)為陰極K；第三個(gè)位于下部NPN晶體管部分的基極， 稱(chēng)為柵極G。 
圖1.SCR等效電路 如圖1c所示，SCR可以視為兩個(gè)單獨的晶體管。SCR等效電路由一個(gè)PNP晶體管和一個(gè)NPN晶體管組成，兩個(gè)晶體管互相連接，如圖1d所示�？梢钥吹�，每個(gè)晶體管的集電極都連接到另一個(gè)晶體管的基極，形成一個(gè)正反饋回路。 SCR具有兩種穩定狀態(tài)。第一種，不導電的關(guān)斷狀態(tài)。在柵極端子開(kāi)啟的情況下，先假設沒(méi)有電流流入NPN晶體管Q2的基極端子。如果基極電流為零，Q2的集電極電流也為零。如果Q2的集電極電流為零，那么從PNP晶體管Q1的基極流出的電流為零。如果Q1的基極電流為零，那么Q1的集電極電流應為零。這與初始假設（Q2的基極電流為零）是一致的。由于Q1和Q2的集電極電流均為零（基極電流為零），可以得出，任何一個(gè)晶體管中的發(fā)射極電流也應為零。只要從發(fā)射極到集電極，通過(guò)Q1或Q2的任何泄漏電流非常小，這種零電流關(guān)斷狀態(tài)就會(huì )保持穩定。 第二種穩定狀態(tài)是導通狀態(tài)�？梢酝ㄟ^(guò)將少量電流注入柵極端子，使SCR從關(guān)斷狀態(tài)轉換或切換至導通狀態(tài)。在這個(gè)回路中執行剛剛在關(guān)斷狀態(tài)下的相同步驟。不難發(fā)現，只要向Q2提供基極電流，就會(huì )有較大的集電極電流（是基極電流的ßNPN倍）開(kāi)始傳輸。這個(gè)Q2集電極電流將變成Q1的基極電流。Q1中的這個(gè)基極電流在Q1中產(chǎn)生更大的集電極電流（基極電流的ßNPN倍）。Q1的集電極電流回流到Q2的基極，使其基極電流進(jìn)一步增大。這個(gè)電流反饋回路建立之后，初始柵極電流可以消除，而只要SCR周?chē)耐獠侩娐吠ㄟ^(guò)SCR提供電流，SCR就會(huì )保持開(kāi)啟狀態(tài)。關(guān)斷SCR的唯一方式是使電流降低至低于關(guān)鍵“保持”電流水平。 關(guān)于這個(gè)正反饋回路，有一點(diǎn)需要注意：只要滿(mǎn)足以下條件，SCR將會(huì )保持開(kāi)啟狀態(tài)，并且會(huì )一直處于這種閉鎖狀態(tài)：
當SCR處于開(kāi)啟狀態(tài)，從端子A到K在SCR兩端的壓降是Q1VBE和Q2VCESAT之和，與Q2VBE和Q1VCESAT之和并聯(lián)。我們知道，當集電極基極結正向偏置到飽和區域，即VCE小于VBE時(shí)，BJT器件的ß下降。兩個(gè)晶體管的VCE會(huì )下降，直到滿(mǎn)足正反饋增益方程，且ß  NP × ßNPN等于1。值得注意的是，BJT晶體管的ß在集電極電流較小時(shí)也較小，根據上述方程，如果泄漏電流足夠小，導致在這個(gè)低泄漏電流水平下，ß NP × ßNPN小于1，那么SCR會(huì )保持在關(guān)斷狀態(tài)。ADALP2000模擬部件套件不包含SCR，但可以利用分立式PNP和NPN晶體管來(lái)構建圖1d所示的等效電路，以仿真SCR。 材料 u ADI ADALM2000主動(dòng)學(xué)習模塊 u 無(wú)焊試驗板 u 兩個(gè)1kΩ電阻 u 兩個(gè)100kΩ電阻 u 一個(gè)0.1μF電容 u 一個(gè)小信號NPN晶體管(2N3904) u 一個(gè)小信號PNP晶體管(2N3906) 說(shuō)明 在無(wú)焊試驗板上構建圖2所示的SCR等效電路模型。
圖2.用于仿真SCR的電路 兩個(gè)100 kΩ電阻R1和R2分別安裝在每個(gè)晶體管各自的VBE位置，確保任何小泄漏電流不會(huì )自行觸發(fā)仿真的SCR。電阻R3將來(lái)自AWG2的電壓脈沖轉換為觸發(fā)電流。 硬件設置 SCR的試驗板連接如圖3所示。
圖3.用于仿真SCR的電路試驗板連接 程序步驟 AWG1應配置為正弦波，峰峰波幅為10V，零偏移，頻率為100Hz。AWG2應配置為方波，峰峰波幅為800mV，400mV偏移，頻率為100Hz。確保同時(shí)運行兩個(gè)AWG通道。 觸發(fā)通道1上的示波器。觀(guān)察示波器通道1的輸入正弦波和示波器通道2上通過(guò)RL的電壓，按180°至360°步長(cháng)調節AWG2的相位。根據AWG2的相位設置，得出的曲線(xiàn)可能如下圖所示�？梢钥吹�，通過(guò)RL的電壓為零，SCR處于關(guān)斷狀態(tài)，直到AWG2發(fā)出觸發(fā)脈沖，SCR一直處于開(kāi)啟狀態(tài)，直到輸入正弦波電壓超過(guò)零。
圖4.波形示例
圖5.Scopy波形示例 當SCR處于開(kāi)啟狀態(tài)并傳輸電流時(shí)，測量并報告通過(guò)SCR的壓降。 通過(guò)調節AWG2，找出可以觸發(fā)SCR的最小脈沖電壓（幅度）。根據此電壓R3和Q2的VBE，估算最小觸發(fā)電流。對結果進(jìn)行說(shuō)明。 嘗試給R1和R2使用更大值(1MΩ)和更小值(10kΩ)。最小觸發(fā)電壓會(huì )如何改變？ 使用0.1μF電容替代電阻R3。該耦合電容充當微分器，將AWG輸出的方波脈沖轉變?yōu)榉讲ǖ纳仙睾拖陆笛厣溪M窄的正負尖峰電流。這會(huì )如何影響SCR的觸發(fā)時(shí)間和觸發(fā)方式？ 集成電路中無(wú)意形成的寄生SCR 前面探討了利用SCR特性的應用。遺憾的是，集成電路中可能不希望形成SCR，如果這些SCR觸發(fā)，可能會(huì )導致電路故障，甚至導致集成電路產(chǎn)生可靠性問(wèn)題和損壞。 閂鎖 閂鎖是一種潛在破壞性情況。這種情況會(huì )觸發(fā)一個(gè)寄生SCR，造成正負電源短路。如果電流不受限制，會(huì )發(fā)生電氣過(guò)應力。典型的閂鎖情況發(fā)生在CMOS輸出器件中，兩個(gè)寄生基極-發(fā)射極結之一在過(guò)壓事件期間暫時(shí)正向偏置時(shí)，驅動(dòng)器晶體管和井會(huì )形成4層PNPN SCR結構。SCR開(kāi)啟并實(shí)際上造成VDD和地之間的短路。 由于所有這些MOS器件都位于單片芯片上，出現適當的外部刺激時(shí)，寄生SCR器件可能會(huì )開(kāi)啟，這種情況在設計不良的CMOS電路中很常見(jiàn)。圖6是兩個(gè)晶體管的簡(jiǎn)化截面圖，一個(gè)PMOS，一個(gè)NMOS；它們可以連接在一起作為邏輯門(mén)使用，或作為模擬放大器，或開(kāi)關(guān)使用。寄生雙極晶體管負責進(jìn)行閂鎖，Q1（縱向PNP）和Q2（橫向NPN），如下圖所示。
圖6.PMOS和NMOS器件的截面圖，包含寄生晶體管Q1和Q2 當然，可以采用合適的設計方法來(lái)減少SCR形成的幾率，包括增大NMOS和PMOS器件之間的間距，以及在NWELL和PWELL之間和周?chē)迦敫邠诫s區。這兩種布局方法都試圖將縱向PNP或橫向NPN寄生雙極晶體管的ß降低到小于1。其中一些方法還傾向于降低RPWELL和RNWELL的電阻，從而增加開(kāi)啟SCR所需的最小觸發(fā)電流。 問(wèn)題： 1.SCR與普通整流二極管有何不同？您可以在學(xué)子專(zhuān)區 論壇上找到答案。 |
