晶閘管的工作原理解析
本文來源：ECCN中電網(wǎng)
1、晶閘管（SCR）
晶體閘流管簡稱晶閘管，也稱為可控硅整流元件（SCR），是由三個(gè) PN 結(jié)構(gòu)成的一種大功率半導(dǎo)體器件。在性能上，晶閘管不僅具有單向?qū)щ娦?，而且還具有比硅整流元件更為可貴的可控性，它只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)。
晶閘管的優(yōu)點(diǎn)很多，例如：以小功率控制大功率，功率放大倍數(shù)高達(dá)幾十萬倍；反應(yīng)極快，在微秒級(jí)內(nèi)開通、關(guān)斷；無觸點(diǎn)運(yùn)行，無火花、無噪聲；效率高，成本低等。因此，特別是在大功率 UPS 供電系統(tǒng)中，晶閘管在整流電路、靜態(tài)旁路開關(guān)、無觸點(diǎn)輸出開關(guān)等電路中得到廣泛的應(yīng)用。
晶閘管的弱點(diǎn)：靜態(tài)及動(dòng)態(tài)的過載能力較差，容易受干擾而誤導(dǎo)通。
晶閘管從外形上分類主要有：螺栓形、平板形和平底形。
2、普通晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理
晶閘管是 PNPN 四層三端器件，共有三個(gè) PN 結(jié)。分析原理時(shí)，可以把它看作是由一個(gè) PNP 管和一個(gè) NPN 管所組成，其等效圖解如圖 1（a）所示，圖 1（b）為晶閘管的電路符號(hào)。
2．1、晶閘管的工作過程
晶閘管是四層三端器件，它有 J1、J2、J3 三個(gè) PN 結(jié)，可以把它中間的 NP 分成兩部分，構(gòu)成一個(gè) PNP 型三極管和一個(gè) NPN 型三極管的復(fù)合管。
當(dāng)晶閘管承受正向陽極電壓時(shí)，為使晶閘管導(dǎo)通，必須使承受反向電壓的 PN 結(jié) J2 失去阻擋作用。每個(gè)晶體管的集電極電流同時(shí)就是另一個(gè)晶體管的基極電流。因此是兩個(gè)互相復(fù)合的晶體管電路，當(dāng)有足夠的門極電流 Ig 流入時(shí)，就會(huì)形成強(qiáng)烈的正反饋，造成兩晶體管飽和導(dǎo)通。
設(shè) PNP 管和 NPN 管的集電極電流分別為 IC1 和 IC2，發(fā)射極電流相應(yīng)為 Ia 和 Ik，電流放大系數(shù)相應(yīng)為α1＝IC1／Ia 和α2＝IC2／Ik，設(shè)流過 J2 結(jié)的反相漏電流為 ICO，晶閘管的陽極電流等于兩管的集電極電流和漏電流的總和：
Ia＝IC1＋I(xiàn)C2＋I(xiàn)CO＝α1Ia＋α2Ik＋I(xiàn)CO （1）
若門極電流為 Ig，則晶閘管陰極電流為：Ik＝Ia＋I(xiàn)g。
因此，可以得出晶閘管陽極電流為：
（2）硅 PNP 管和硅 NPN 管相應(yīng)的電流放大系數(shù)α1 和α2 隨其發(fā)射極電流的改變而急劇變化。當(dāng)晶閘管承受正向陽極電壓，而門極未接受電壓的情況下，式（1）中 Ig＝0，（α1＋α2）很小，故晶閘管的陽極電流 Ia≈ICO，晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)；當(dāng)晶閘管在正向門極電壓下，從門極 G 流入電流 Ig，由于足夠大的 Ig 流經(jīng) NPN 管的發(fā)射結(jié)，從而提高放大系數(shù)α2，產(chǎn)生足夠大的集電極電流 IC2 流過 PNP 管的發(fā)射結(jié)，并提高了 PNP 管的電流放大系數(shù)α1，產(chǎn)生更大的集電極電流 IC1 流經(jīng) NPN 管的發(fā)射結(jié)，這樣強(qiáng)烈的正反饋過程迅速進(jìn)行。
當(dāng)α1 和α2 隨發(fā)射極電流增加而使得（α1＋α2）≈1 時(shí)，式（1）中的分母 1－（α1＋α2）≈0，因此提高了晶閘管的陽極電流 Ia。這時(shí)，流過晶閘管的電流完全由主回路的電壓和回路電阻決定，晶閘管已處于正向?qū)顟B(tài)。晶閘管導(dǎo)通后，式（1）中 1－（α1＋α2）≈0，即使此時(shí)門極電流 Ig＝0，晶閘管仍能保持原來的陽極電流 Ia 而繼續(xù)導(dǎo)通，門極已失去作用。在晶閘管導(dǎo)通后，如果不斷地減小電源電壓或增大回路電阻，使陽極電流 Ia 減小到維持電流 IH 以下時(shí)，由于α1 和α2 迅速下降，晶閘管恢復(fù)到阻斷狀態(tài)。
2．2、晶閘管的工作條件
由于晶閘管只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài)，所以它具有開關(guān)特性，這種特性需要一定的條件才能轉(zhuǎn)化，此條件見表 1。
（1）晶閘管承受反向陽極電壓時(shí)，無論門極承受何種電壓，晶閘管都處于關(guān)斷狀態(tài)。
（2）晶閘管承受正向陽極電壓時(shí)，僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導(dǎo)通。
（3）晶閘管在導(dǎo)通情況下，只要有一定的正向陽極電壓，無論門極電壓如何，晶閘管保持導(dǎo)通，即晶閘管導(dǎo)通后，門極失去作用。
（4）晶閘管在導(dǎo)通情況下，當(dāng)主回路電壓（或電流）減小到接近于零時(shí)，晶閘管關(guān)斷。
3、晶閘管的伏安特性和主要參數(shù)
3．1、晶閘管的伏安特性
晶閘管陽極 A 與陰極 K 之間的電壓與晶閘管陽極電流之間關(guān)系稱為晶閘管伏安特性，如圖 2 所所示。正向特性位于第一象限，反向特性位于第三象限。
（1） 反向特性
當(dāng)門極 G 開路，陽極加上反向電壓時(shí)（見圖 3），J2 結(jié)正偏，但 J1、J2 結(jié)反偏。此時(shí)只能流過很小的反向飽和電流，當(dāng)電壓進(jìn)一步提高到 J1 結(jié)的雪崩擊穿電壓后，同時(shí) J3 結(jié)也擊穿，電流迅速增加，如圖 2 的特性曲線 OR 段開始彎曲，彎曲處的電壓 URO 稱為“反向轉(zhuǎn)折電壓”。此后，晶閘管會(huì)發(fā)生永久性反向擊穿。
（2） 正向特性
當(dāng)門極 G 開路，陽極 A 加上正向電壓時(shí)（見圖 4），J1、J3 結(jié)正偏，但 J2 結(jié)反偏，這與普通 PN 結(jié)的反向特性相似，也只能流過很小電流，這叫正向阻斷狀態(tài)，當(dāng)電壓增加，如圖 2 的特性曲線 OA 段開始彎曲，彎曲處的電壓 UBO 稱為“正向轉(zhuǎn)折電壓”。
由于電壓升高到 J2 結(jié)的雪崩擊穿電壓后，J2 結(jié)發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生大量的電子和空穴，電子進(jìn)入 N1 區(qū)，空穴進(jìn)入 P2 區(qū)。進(jìn)入 N1 區(qū)的電子與由 P1 區(qū)通過 J1 結(jié)注入 N1 區(qū)的空穴復(fù)合。同樣，進(jìn)入 P2 區(qū)的空穴與由 N2 區(qū)通過 J3 結(jié)注入 P2 區(qū)的電子復(fù)合，雪崩擊穿后，進(jìn)入 N1 區(qū)的電子與進(jìn)入 P2 區(qū)的空穴各自不能全部復(fù)合掉。這樣，在 N1 區(qū)就有電子積累，在 P2 區(qū)就有空穴積累，結(jié)果使 P2 區(qū)的電位升高，N1 區(qū)的電位下降，J2 結(jié)變成正偏，只要電流稍有增加，電壓便迅速下降，出現(xiàn)所謂負(fù)阻特性，見圖 2 中的虛線 AB 段。這時(shí) J1、J2、J3 三個(gè)結(jié)均處于正偏，晶閘管便進(jìn)入正向?qū)щ姞顟B(tài)——通態(tài)，此時(shí)，它的特性與普通的 PN 結(jié)正向特性相似，如圖 2 的 BC 段。
（3） 觸發(fā)導(dǎo)通
在門極 G 上加入正向電壓時(shí)（如圖 5 所示），因 J3 正偏，P2 區(qū)的空穴進(jìn)入 N2 區(qū)，N2 區(qū)的電子進(jìn)入 P2 區(qū)，形成觸發(fā)電流 IGT。在晶閘管的內(nèi)部正反饋?zhàn)饔茫ㄈ鐖D 2）的基礎(chǔ)上，加上 IGT 的作用，使晶閘管提前導(dǎo)通，導(dǎo)致圖 2 中的伏安特性 OA 段左移，IGT 越大，特性左移越快。
3．2、晶閘管的主要參數(shù)
（1）斷態(tài)重復(fù)峰值電壓 UDRM
門極開路，重復(fù)率為每秒 50 次，每次持續(xù)時(shí)間不大于 10ms 的斷態(tài)最大脈沖電壓，UDRM＝90％UDSM，UDSM 為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓。UDSM 應(yīng)比 UBO 小，所留的裕量由生產(chǎn)廠家決定。
（2）反向重復(fù)峰值電壓 URRM
其定義同 UDRM 相似，URRM＝90％URSM，URSM 為反向不重復(fù)峰值電壓。
（3）額定電壓
選 UDRM 和 URRM 中較小的值作為額定電壓，選用時(shí)額定電壓應(yīng)為正常工作峰值電壓的 2～3 倍，應(yīng)能承受經(jīng)常出現(xiàn)的過電壓。
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