半导体开关器件晶闸管的特点及应用分析

作者：Marian，Stofka

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。尽管低功率器件在当代开关领域已基本销声匿迹，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）及绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等所取代，但它们在兆瓦级开关器件领域仍无可替代，例如2kA、1.2kV的SCR就被应用于机车驱动器中，或用来控制铝材生产厂中的电炉等。

SCR是一种具有如图1a所示的晶体管等效电路的四层半导体器件。

图1：一个基本的SCR类结构（a），获得一定值的门极电流和维持电流（b），以及大幅改进的耐瞬变电压性能，从而有效防止阳极电压陡增引起的意外导通（c）。

该器件一开始处于关断状态，在正向电流脉冲馈入门极1后，这个位于阳极和阴极之间的四层结构被导通，并且不再需要门极电流。此处还可以使用Q2基极导通SCR，但是单片SCR通常只有针对阴极的门极。

在一个更贴近实际的晶体管模型中，PNP和NPN晶体管都带有基极发射极电阻（如图1b所示）。因而避免了由Q1和Q2的漏电流而引起的意外导通，并且门极电流具有如下的限定值：

SCR普遍存在的一个不足是：如果阳极电压上升时间超过临界速率，即使门极电流为零，SCR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，在感性负载切换过程中会出现换相电压。电感中聚集的能量容易导致阳极电压陡然升高。此外，当利用至少由两只以上以模拟多路开关形式连接的SCR对阻性负载进行切换时，其中一只SCR被导通并使另一只SCR阳极电压陡然升高，此时也会出现换相电压。

图1b所示电路中，换相电压斜率临界值为：



其中，VBE0约为0.7V（硅晶体管导通的典型电压），CCB01和CCB02为晶体管Q1和Q2的集电极至基极电容量。由于这些电容值会随着发射极至集电极电压的升高而降低，在方程式（1）中必须使用这些电容的最大值。针对图2中所使用的晶体管，可估计CCB01+CCB02＜20pF。由RB1=RB2=6.8kΩ，可知SVcrit≈5V/μs。与单片SCR的换相电压斜率临界值（通常约等于100V/μs）相比较，图2中SVcrit值相当低。虽然降低电阻器RB1和RB2的电阻值有所帮助，但这样会影响门极灵敏度（图1b中电路可以做得非常灵敏，只需要100μA左右的门极电流即可—相当于低功率单片SCR典型值的十分之一）。

图2：增加两个电容值为1nF的SMD陶瓷电容器后，可以在ΔV达到10V的情况下防止导通。

图1c显示了在保持低门极导通电流的同时增加换相电压临界斜率的方法。通过将电容器C与NPN及PNP晶体管的基极发射极结并联，理论上可以得出无穷大的斜率值。电容器C的值为：



此处，为简单起见，假设阳极电压呈线性升高，而△V为其升高的幅度。由所用晶体管基极电流允许的最大值可以得出实际的换相电压斜率临界值：



假设IBmax=200mA，则通过方程式（3）可以得出SVcrit的实际值，即SVcrit≈100kV/μs。

在实验中，图2中的2N4036 PNP晶体管因其切换鲁棒性而被采用，其基极电流最大值为500mA，而集电极电流最大值则为1A。在图2中，使分立式SCR的阳极电压陡然发生改变（在30ns内使△V达到9V或使SVcrit达到300V/μs）后，未观察到导通现象。