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一文詳解晶閘管

Semi Connect ? 來源:Semi Connect ? 2024-01-12 09:59 ? 次閱讀
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晶閘管(Thyristor)又稱作可控硅整流器(Silicon Controlled Rectifier,SCR),是一種pnpn 四層結構的三端器件。晶閘管同時具有正向阻斷和反向阻斷的能力,施加一個較小的柵極電流就可觸發它由正向阻斷狀態進入導通狀態,并保持穩定的導通特性。SCR 在導通狀態時可以被看作一個導通狀態的 PiN 整流二極管。單個功率 SCR 的額定電流值已達 5000A,額定電壓可達 8000V(即功率能夠達到 40MW)。將多個功率SCR 串聯在一起可以承受超過 100kV 以上的電壓,以配合高壓電力傳輸的需求。SCR 可在大電流低電壓,或高電壓小電流的穩定狀態下工作,具有功耗低及效率高的節能優點,非常適用于交流電源電路,是大功率電子系統中常用的器件。已由 SCR 衍生出柵極關斷晶閘管和集成柵極換流晶閘管等多種電力電子器件。?

一個n?pn?p?晶閘管是由三個pn結J1、J2 和J3組成的,如圖 2-63 所示。在晶閘管的陽極加上負電壓就進入反向阻斷狀態,此時J1和J3結反偏,J2結正偏;由于J3結兩側摻雜濃度較高,只能承受較低的電壓,所以加在陽極的反向阻斷電壓主要是由J1結來承受。n?漂移區的摻雜濃度和厚度決定功率SCR 的反向阻斷電壓值,晶閘管在J1結和J2結之間形成類似一個基極開路的雙極晶體管;SCR 器件的擊穿電壓是由基極開路pnp 雙極晶體管J1結的擊穿電壓決定的,而不是由pn結的雪崩擊穿電壓決定的。在晶閘管的陽極施加正電壓就進入正向阻斷狀態,此時J1結和J3結正偏,而J2結則反偏,所加的正電壓幾乎全由n?漂移區承受。正向阻斷電壓主要由基極開路 npn 雙極晶體管 J2結的擊穿電壓決定,而不是由 pn 結的雪崩擊穿電壓來決定。

SCR 在正向阻斷狀態的工作原理如圖 2-64所示,圖中npn 晶體管的基極與pnp晶體管的集電極相連,而pnp 晶體管的基極則與 npn晶體管的集電極相連。在正向阻斷狀態,施加一個小的柵極電流I?可增大 npn 晶體管的基極電流I?2而提高電流增益,因此使I?2變大;而I?2又是pnp 晶體管的基極電流I?1,增大的I?1則再放大pnp 晶體管的 l?1,進而得到更大的I?2。 這種正反饋強制晶體管進入飽和區而使 SCR 的三個結都處在正偏,此時 SCR 處在導通狀態。一旦 SCR 進入導通狀態,即使關斷外部柵極電流I?,SCR 的正反饋過程仍舊能維持電流流動。

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功率SCR 的電流-電壓特性曲線如圖2-65 所示,在SCR 陽極-陰極兩端加上正電壓U??使其處于正向阻斷狀態,即使未施加柵極觸發電流 (即I?= 0),當U??增大到轉折電壓(Breakover Voltage)U??時,SCR 也會發生轉折導通,此時SCR 類似一個二極管。這種pnpn 結構的兩端器件(沒有柵極) 就成為轉折二極管(Breakover Diode, BOD)。BOD可當作電路的過電壓保護器件。在正向阻斷的 SCR 上施加柵極觸控電流I?可以使 SCR 在較低的正電壓 U??下發生轉折導通。因此,可利用柵極觸發電流I?來控制 SCR 觸發導通的時刻,較大的I?可降低轉折電壓而使 SCR 提前導通,SCR 導通后,電流I?不會隨著I?變化,即使降低或撤除I?,SCR 仍可依靠正反饋保持導通狀態。此時 SCR 是在高電流低電壓的穩定狀態下工作,功耗很低。只有陽極電流I?低于維持電流(HoldingCurrent)I?才會回到阻斷狀態。在SCR 陽極-陰極兩端加上負電壓 U??則使其處于反向阻斷狀態,優化p基區和n?漂移區的寬度及摻雜濃度可提高反向阻斷電壓,并降低泄漏電流,使 SCR 在高電壓小電流的穩定狀態下工作,降低了工作功耗。

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審核編輯:湯梓紅

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原文標題:晶閘管,晶閘管,Thyristor (SCR)

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