晶闸管的结构和功能模型

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晶闸管的结构和功能模型

1.1 晶闸管的结构

如下图：a）晶闸管元件符号，b）半导体结构，c）等效电路

晶闸管整个器件由四层三个pn结组成。p型参杂的阳极层位于底端，接着是n基区，p基区，最后是n+阴极层。

在阻断状态下，不管是在正向加电压，还是反向加电压，都有pn结处于反偏状态，晶闸管是一种对称阻断器件。

晶闸管可分成两个子晶体管，一个pnp和一个npn晶体管，当给npn晶体管一个基极电流，它会从集电极拉一个放大电流IC1 = βNPN.IB。Ic1给pnp三极管提供基极电流，这个基极电流被pnp晶体管放大βPNP。

• IB = βNPN x βPNP x IB + IG

如果满足条件βNPN x βPNP ≥ 1，由于两个晶体管的电流放大，会建立一个内部正反馈环，两个晶体管处于饱和导通状态，即使当gate驱动电流移除时，晶闸管还能保持这种状态。

在开通过程，保持晶闸管正反馈导通状态，需要正极电流大于一定的值，叫做擎住电流latching current（IL)。后文会有关于IL的讲解。

1.2 双向三端晶闸管的结构

双向晶闸管（又称晶体管AC开关），是两个晶闸管以反并联的方式集成为一个晶闸管。双向晶闸管可以不用区分阳极和阴极，可以通过公共门极在两个方向上触发。

双向晶闸管在一些应用可以替代两个晶闸管，但是范围有限，主要限制是因为在电流过零处双向晶闸管必须在反向关断其电压。然而在导通模式中器件充满自由载流子，如果换向时di/dt太高，电流过零时仍然存在部分存储电荷。如果此时有一个很高dv/dt的电压，就会出现误触发，器件不会进入阻断模式。因此双向晶闸管允许的di/dt和dv/dt非常有限，只能在小电流和中等电压条件下使用。

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晶闸管的特性和重要参数

2.1晶闸管的I-V特性和工作时序

如下图: a)晶闸管的I-V特性，b)晶闸管典型工作波形，c)测试电路

晶闸管只能导通正向电流，从A到K，正向I-V特性有两个支：正向阻断模式和正向导通模式。

正向阻断模式中漏电流上升到最大允许值对应的电压称为VDRM，正向阻断最大电压。反向最大允许的电流对应的电压称为VRRM。

在正向导通模式中，电流IT对应的压降为VT。对于大电流的情况，I-V特性曲线类似于功率二极管的正向特性。

可控硅工作时序：

1）当A-K间电压VT是正时，施加一个正门极电流，SCR开通；

2）当SCR通过的电流高于擎住电流latching current时，移除门极驱动脉冲，SCR保持开通。

3）当负载电流达到0，SCR关断。需要注意的是，SCR在电流低于保持电流时holding current就会关断。

4）接感性负载时，负载电流滞后于电压，当SCR关断时，会有一个线电压突然加在SCR上，后文会讲述关断时需要限制这个电压上升率。

2.2 SCR重要的两个参数：擎住电流latching current和保持电流holding current

擎住电流IL ：在一个10us出发脉冲的末尾能使晶闸管安全转入导通模式，并在门极信号归零后还能安全地维持导通状态所需的最小阳极电流。

例：在小功率的灯控制应用电路，使用双向晶闸管，当驱动脉冲移除后，负载电流还没达到IL，晶闸管不能开通。

这种情况需要增加驱动脉冲的宽度，或者选用灵敏型的可控硅，降低擎住电流。

维持电流IH ：保持晶闸管在无门极电流时处于导通模式所需要的最小阳极电流，该电流确保导通的晶闸管不会关断。电流降至IH以下会导致晶闸管关断。

例：在可控硅调光器电路中，输入端会加EMI滤波器，LC滤波器会产生振荡，如果振荡期间最小电流低于IH，晶闸管会关断，导致闪烁。

解决方法，需要选用合适的LC滤波器参数，测试振荡电流最小值。另外选用低IH的晶闸管。

因为在开通过程初期，载流子没有完全涌入整个器件，所以IL>IH,一般擎住电流是维持电流的2倍。

2.3晶闸管参数说明

1、断态及反向重复峰值电压VDRM和VRRM

控制极断路，在一定的温度下，允许重复加在管子上的正向电压为断态重复峰值电压，用VDRM表示。这个数值是不重复峰值电压VDSM的90％，而不重复峰值电压即为正向伏安特性曲线急剧弯曲点所决定的断态峰值电压。

反向重复峰值电压用VRRM表示，它也是在控制极开路条件下，规定一定的温度，允许重复加在管子上的反向电压，同样，VRRM为反向不重复峰值电压VRSM的90％。

“重复”是指重复率为每秒50次．持续时间不大于10ms。

VDRM和VRRM随温度的升高而降低，在测试条件中，将对温度作严格的规定。

生产厂把VDRM和VRRM中较小的一个数值作为管子的额定电压。

2、断态漏电流IDRM和反向漏电流IRRM

对应VDRM和VRRM的漏电流为断态漏电流和反向漏电流，分别用IDRM 和IRRM表示。这个数值用峰值表示。

3、额定通态电流IT

在环境温度为40℃和规定的冷却条件下，在单相工频(即50Hz)正弦半波电路中，导通角为不小于170°，负载为电阻性，当结温稳定且不超过额定结温时，管子所允许的最大通态电流为额定通态电流。这个值用平均值和有效值分别表示。

4、通态电压VTM

在规定环境温度和标准散热条件下，管子在额定通态电流IT时所对应的阳极和阴极之间的电压为通态电压，即一般称为管压降。此值用峰值表示。

这是一个很重要的多数，晶闸管导通时的正向损耗主要由IT与VTM之积决定，希望VTM越小越好。

5、维持电流IH

在室温下，控制极开路，晶闸管被触发导通后，维持导通状态所必须的最小电流。也就是说，在室温下，在控制极回路通以幅度和宽度都足够大的脉冲电流，同时在阳极和阴极之间加上电压，使管子完全开通。然后去掉控制极触发信号，缓慢减小正向电流，管子突然关断前瞬间的电流即为维持电流。

6、控制极触发电流IGT和触发电压VGT

在室温条件下，晶闸管阳极和阴极间施加6v或12v的直流电压，使管子完全开通所必须的最小控制极直流电流为控制极触发电流IGT。普通晶间管的IGT 一般为数毫安至几百毫安；高灵敏晶闸管的IGT小至数微安。
对应控制极触发电流的控制极电压称为控制极触发电压VGT。

7、浪涌电流

在规定条件下，晶闸管通以额定电流，稳定后，在工频正弦波半周期间内管子能承受的最大过载电流。同时，紧接浪涌后的半周期间应能承受规定的反向电压。浪涌电流用峰值表示，是不重复的额定值；在管子的寿命期内，浪涌次数有一定的限制。

8、断态电压临界上升率(dv/dt)

在额定结温和控制极断路条件下，使管子从截止转人导通的最低电压上升率称为断态电压临界上升率，用dv/dt表示，希望这个数值愈大愈好。50-100A晶闸管的dv/dt≥25V/μs，200A以上管子的dv/dt≥50V/μs。

9、通态电流临界上升率(di/dt)

在规定条件下，管子在控制极开通时能承受而不导致损坏的通态电流的最大上升率称为通态电流临界上升率，用di/dt表示。管子在开通瞬间产生很大的功率损耗，而且这种损耗由于导通扩展速度有限，总是集中在控制极附近的阴极区域，如果管子的di/dt耐力不够，就容易引起过热点，导致控制权永久性破坏，对大电流的管子，这个问题更为突出。

10、控制极开通时间（tgt）

当控制极加上足够的触发信号后，晶闸管并不立即导通，而是要延迟一小段时间。这延迟的一小段时间称为开通时间tgt。具体规定是控制极触发脉冲前沿的10％到阳极电压下降至10％的时间为tgt。

11、电路换向关断时间（tq）

从通态电流降至零这一瞬间起到管子开始能承受规定的断态电压瞬间为止的时间间隔称为电路换向关断时间tq。

开通时间tgt和关断时间tq决定管子的工作频率，工作频率较高的电路要选用tq小的管子(tq小，tgt会更小)。这一参数是普通晶闸管和快速晶闸管的主要区别。关断时间tq的大小除了和管子内部结构有关以外，还与应用条件有很大关系，关断前晶闸管所通电流大小、温度、关断时所加反向电压大小等因素。

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晶闸管SCR的选型

3.1晶闸管SCR电流降额

一般情况，SCR可以使用到的最大电流只和工作温度相关，除非一些应用限制关断时电流下降速度。

SCR的结温

TJ = TA + Pd．Rth(j-a)

TJ = TC + Pd．Rth(j-c)

Pd = VTO．IT(AV) + RD．I²T(RMS

VTo是门限电压，RD是动态阻抗。

对于正弦负载的应用，需要两个SCR，每个的功率损耗是