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晶閘管的結構和功能模型

1.1 晶閘管的結構

如下圖：a）晶閘管元件符號，b）半導體結構，c）等效電路

晶閘管整個器件由四層三個pn結組成。p型參雜的陽極層位于底端，接著是n基區，p基區，最后是n+陰極層。

在阻斷狀態下，不管是在正向加電壓，還是反向加電壓，都有pn結處于反偏狀態，晶閘管是一種對稱阻斷器件。

晶閘管可分成兩個子晶體管，一個pnp和一個npn晶體管，當給npn晶體管一個基極電流，它會從集電極拉一個放大電流IC1 = βNPN.IB。Ic1給pnp三極管提供基極電流，這個基極電流被pnp晶體管放大βPNP。

? IB = βNPN x βPNP x IB + IG

如果滿足條件βNPN x βPNP ≥ 1，由于兩個晶體管的電流放大，會建立一個內部正反饋環，兩個晶體管處于飽和導通狀態，即使當gate驅動電流移除時，晶閘管還能保持這種狀態。

在開通過程，保持晶閘管正反饋導通狀態，需要正極電流大于一定的值，叫做擎住電流latching current（IL)。后文會有關于IL的講解。

1.2 雙向三端晶閘管的結構

雙向晶閘管（又稱晶體管AC開關），是兩個晶閘管以反并聯的方式集成為一個晶閘管。雙向晶閘管可以不用區分陽極和陰極，可以通過公共門極在兩個方向上觸發。

雙向晶閘管在一些應用可以替代兩個晶閘管，但是范圍有限，主要限制是因為在電流過零處雙向晶閘管必須在反向關斷其電壓。然而在導通模式中器件充滿自由載流子，如果換向時di/dt太高，電流過零時仍然存在部分存儲電荷。如果此時有一個很高dv/dt的電壓，就會出現誤觸發，器件不會進入阻斷模式。因此雙向晶閘管允許的di/dt和dv/dt非常有限，只能在小電流和中等電壓條件下使用。

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晶閘管的特性和重要參數

2.1晶閘管的I-V特性和工作時序

如下圖: a)晶閘管的I-V特性，b)晶閘管典型工作波形，c)測試電路

晶閘管只能導通正向電流，從A到K，正向I-V特性有兩個支：正向阻斷模式和正向導通模式。

正向阻斷模式中漏電流上升到最大允許值對應的電壓稱為VDRM，正向阻斷最大電壓。反向最大允許的電流對應的電壓稱為VRRM。

在正向導通模式中，電流IT對應的壓降為VT。對于大電流的情況，I-V特性曲線類似于功率二極管的正向特性。

可控硅工作時序：

1）當A-K間電壓VT是正時，施加一個正門極電流，SCR開通；

2）當SCR通過的電流高于擎住電流latching current時，移除門極驅動脈沖，SCR保持開通。

3）當負載電流達到0，SCR關斷。需要注意的是，SCR在電流低于保持電流時holding current就會關斷。

4）接感性負載時，負載電流滯后于電壓，當SCR關斷時，會有一個線電壓突然加在SCR上，后文會講述關斷時需要限制這個電壓上升率。

2.2 SCR重要的兩個參數：擎住電流latching current和保持電流holding current

擎住電流IL ：在一個10us出發脈沖的末尾能使晶閘管安全轉入導通模式，并在門極信號歸零后還能安全地維持導通狀態所需的最小陽極電流。

例：在小功率的燈控制應用電路，使用雙向晶閘管，當驅動脈沖移除后，負載電流還沒達到IL，晶閘管不能開通。

這種情況需要增加驅動脈沖的寬度，或者選用靈敏型的可控硅，降低擎住電流。

維持電流IH ：保持晶閘管在無門極電流時處于導通模式所需要的最小陽極電流，該電流確保導通的晶閘管不會關斷。電流降至IH以下會導致晶閘管關斷。

例：在可控硅調光器電路中，輸入端會加EMI濾波器，LC濾波器會產生振蕩，如果振蕩期間最小電流低于IH，晶閘管會關斷，導致閃爍。

解決方法，需要選用合適的LC濾波器參數，測試振蕩電流最小值。另外選用低IH的晶閘管。

因為在開通過程初期，載流子沒有完全涌入整個器件，所以IL>IH,一般擎住電流是維持電流的2倍。

2.3晶閘管參數說明

1、斷態及反向重復峰值電壓VDRM和VRRM

控制極斷路，在一定的溫度下，允許重復加在管子上的正向電壓為斷態重復峰值電壓，用VDRM表示。這個數值是不重復峰值電壓VDSM的90％，而不重復峰值電壓即為正向伏安特性曲線急劇彎曲點所決定的斷態峰值電壓。

反向重復峰值電壓用VRRM表示，它也是在控制極開路條件下，規定一定的溫度，允許重復加在管子上的反向電壓，同樣，VRRM為反向不重復峰值電壓VRSM的90％。

“重復”是指重復率為每秒50次．持續時間不大于10ms。

VDRM和VRRM隨溫度的升高而降低，在測試條件中，將對溫度作嚴格的規定。

生產廠把VDRM和VRRM中較小的一個數值作為管子的額定電壓。

2、斷態漏電流IDRM和反向漏電流IRRM

對應VDRM和VRRM的漏電流為斷態漏電流和反向漏電流，分別用IDRM 和IRRM表示。這個數值用峰值表示。

3、額定通態電流IT

在環境溫度為40℃和規定的冷卻條件下，在單相工頻(即50Hz)正弦半波電路中，導通角為不小于170°，負載為電阻性，當結溫穩定且不超過額定結溫時，管子所允許的最大通態電流為額定通態電流。這個值用平均值和有效值分別表示。

4、通態電壓VTM

在規定環境溫度和標準散熱條件下，管子在額定通態電流IT時所對應的陽極和陰極之間的電壓為通態電壓，即一般稱為管壓降。此值用峰值表示。

這是一個很重要的多數，晶閘管導通時的正向損耗主要由IT與VTM之積決定，希望VTM越小越好。

5、維持電流IH

在室溫下，控制極開路，晶閘管被觸發導通后，維持導通狀態所必須的最小電流。也就是說，在室溫下，在控制極回路通以幅度和寬度都足夠大的脈沖電流，同時在陽極和陰極之間加上電壓，使管子完全開通。然后去掉控制極觸發信號，緩慢減小正向電流，管子突然關斷前瞬間的電流即為維持電流。

6、控制極觸發電流IGT和觸發電壓VGT

在室溫條件下，晶閘管陽極和陰極間施加6v或12v的直流電壓，使管子完全開通所必須的最小控制極直流電流為控制極觸發電流IGT。普通晶間管的IGT 一般為數毫安至幾百毫安；高靈敏晶閘管的IGT小至數微安。
對應控制極觸發電流的控制極電壓稱為控制極觸發電壓VGT。

7、浪涌電流

在規定條件下，晶閘管通以額定電流，穩定后，在工頻正弦波半周期間內管子能承受的最大過載電流。同時，緊接浪涌后的半周期間應能承受規定的反向電壓。浪涌電流用峰值表示，是不重復的額定值；在管子的壽命期內，浪涌次數有一定的限制。

8、斷態電壓臨界上升率(dv/dt)

在額定結溫和控制極斷路條件下，使管子從截止轉人導通的最低電壓上升率稱為斷態電壓臨界上升率，用dv/dt表示，希望這個數值愈大愈好。50-100A晶閘管的dv/dt≥25V/μs，200A以上管子的dv/dt≥50V/μs。

9、通態電流臨界上升率(di/dt)

在規定條件下，管子在控制極開通時能承受而不導致損壞的通態電流的最大上升率稱為通態電流臨界上升率，用di/dt表示。管子在開通瞬間產生很大的功率損耗，而且這種損耗由于導通擴展速度有限，總是集中在控制極附近的陰極區域，如果管子的di/dt耐力不夠，就容易引起過熱點，導致控制權永久性破壞，對大電流的管子，這個問題更為突出。

10、控制極開通時間（tgt）

當控制極加上足夠的觸發信號后，晶閘管并不立即導通，而是要延遲一小段時間。這延遲的一小段時間稱為開通時間tgt。具體規定是控制極觸發脈沖前沿的10％到陽極電壓下降至10％的時間為tgt。

11、電路換向關斷時間（tq）

從通態電流降至零這一瞬間起到管子開始能承受規定的斷態電壓瞬間為止的時間間隔稱為電路換向關斷時間tq。

開通時間tgt和關斷時間tq決定管子的工作頻率，工作頻率較高的電路要選用tq小的管子(tq小，tgt會更小)。這一參數是普通晶閘管和快速晶閘管的主要區別。關斷時間tq的大小除了和管子內部結構有關以外，還與應用條件有很大關系，關斷前晶閘管所通電流大小、溫度、關斷時所加反向電壓大小等因素。

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晶閘管SCR的選型

3.1晶閘管SCR電流降額

一般情況，SCR可以使用到的最大電流只和工作溫度相關，除非一些應用限制關斷時電流下降速度。

SCR的結溫

TJ = TA + Pd．Rth(j-a)

TJ = TC + Pd．Rth(j-c)

Pd = VTO．IT(AV) + RD．I2T(RMS

VTo是門限電壓，RD是動態阻抗。

對于正弦負載的應用，需要兩個SCR，每個的功率損耗是