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晶閘管(SCR)是一種半導體開關器件。早在1956年，Moll等人就發表了這種開關器件的理論基礎。盡管低功率器件在當代開關領域已基本銷聲匿跡，并被高壓雙極結型晶體管(BJT)、金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)及絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等所取代，但它們在兆瓦級開關器件領域仍無可替代，例如2kA、1.2kV的SCR就被應用于機車驅動器中，或用來控制鋁材生產廠中的電爐等。 SCR是一種具有如圖1a所示的晶體管等效電路的四層半導體器件。 圖1：一個基本的SCR類結構(a)，獲得一定值的門極電流和維持電流(b)，以及大幅改進的耐瞬變電壓性能，從而有效防止陽極電壓陡增引起的意外導通(c)。 該器件一開始處于關斷狀態，在正向電流脈沖饋入門極1后，這個位于陽極和陰極之間的四層結構被導通，并且不再需要門極電流。此處還可以使用Q2基極導通SCR，但是單片SCR通常只有針對陰極的門極。 在一個更貼近實際的晶體管模型中，PNP和NPN晶體管都帶有基極發射極電阻(如圖1b所示)。因而避免了由Q1和Q2的漏電流而引起的意外導通，并且門極電流具有如下的限定值： SCR普遍存在的一個不足是：如果陽極電壓上升時間超過臨界速率，即使門極電流為零，SCR也會導通。此時的陽極電壓稱為換相電壓，當陽極電流歸零并降至維持水平以下時，在感性負載切換過程中會出現換相電壓。電感中聚集的能量容易導致陽極電壓陡然升高。此外，當利用至少由兩只以上以模擬多路開關形式連接的SCR對阻性負載進行切換時，其中一只SCR被導通并使另一只SCR陽極電壓陡然升高，此時也會出現換相電壓。 圖1b所示電路中，換相電壓斜率臨界值為： 其中，VBE0約為0.7V(硅晶體管導通的典型電壓)，CCB01和CCB02為晶體管Q1和Q2的集電極至基極電容量。由于這些電容值會隨著發射極至集電極電壓的升高而降低，在方程式(1)中必須使用這些電容的最大值。針對圖2中所使用的晶體管，可估計CCB01+CCB02＜20pF。由RB1=RB2=6.8kΩ，可知SVcrit≈5V/μs。與單片SCR的換相電壓斜率臨界值(通常約等于100V/μs)相比較，圖2中SVcrit值相當低。雖然降低電阻器RB1和RB2的電阻值有所幫助，但這樣會影響門極靈敏度(圖1b中電路可以做得非常靈敏，只需要100μA左右的門極電流即可—相當于低功率單片SCR典型值的十分之一)。 圖2：增加兩個電容值為1nF的SMD陶瓷電容器后，可以在ΔV達到10V的情況下防止導通。 圖1c顯示了在保持低門極導通電流的同時增加換相電壓臨界斜率的方法。通過將電容器C與NPN及PNP晶體管的基極發射極結并聯，理論上可以得出無窮大的斜率值。電容器C的值為： 此處，為簡單起見，假設陽極電壓呈線性升高，而△V為其升高的幅度。由所用晶體管基極電流允許的最大值可以得出實際的換相電壓斜率臨界值： 假設IBmax=200mA，則通過方程式(3)可以得出SVcrit的實際值，即SVcrit≈100kV/μs。 在實驗中，圖2中的2N4036 PNP晶體管因其切換魯棒性而被采用，其基極電流最大值為500mA，而集電極電流最大值則為1A。在圖2中，使分立式SCR的陽極電壓陡然發生改變(在30ns內使△V達到9V或使SVcrit達到300V/μs)后，未觀察到導通現象。 |
