晶体闸流管（可控硅）原理详解：从结构到开关过程-北京尧图网络

晶体闸流管可控硅原理详解从结构到开关过程晶体闸流管可控硅原理详解从结构到开关过程一、晶体闸流管概述二、可控硅的基本结构三、可控硅的工作原理四、可控硅的开通过程从半导体角度的微观解释五、可控硅的关断过程六、非正向电流触发现象6.1 热触发6.2 dV/dT 误触发七、总结晶体闸流管可控硅原理详解从结构到开关过程一、晶体闸流管概述有一大类功率器件被称为晶体闸流管包括可控硅SCR、双向可控硅TRIAC和GTO逆导晶闸管等。可控硅是晶体闸流管的一种具有可控的单向导电性。它的控制级仅能触发导通不能控制关断只有当电路电流方向改变时才会被关断。因此可控硅是单向导电、半可控的功率器件主要应用于低频交流场合准确地说是50赫兹或60赫兹的工频而不是高频交流。在直流应用中必须有强制的关断机制。二、可控硅的基本结构如图所示晶体闸流管的基本结构为四层PNPN结构包含三个PN结外观上类似于两个三极管结构即P1N1、P2N1、P2N2。其特点是无论正接还是反接总有一个PN结处于反偏状态导致只有极小的漏电流。因此只有通过特定机制来激活内部的NPN或PNP结构才能有大的电流流过。根据不同的机制可以将产品分为多个类别可控硅是其中的一种。可控硅与基本晶闸管结构的主要区别在于它在P2层上采用欧姆接触连接金属线使得NPN结构能够作为一个电极形成一个四层三端的结构。三、可控硅的工作原理为了快速了解可控硅的工作原理我们使用双三极管模型。当某一级相对于K级的正电流足够大时NPN结构将导通进而为PNP结构提供电流通路形成正反馈。如果A级电位高于K级电位则器件将有大的电流流过而导通。即使驱动电流消失器件仍会保持导通状态只有当电流小于特定值时才会关断。其伏安特性曲线如右图所示看起来很像一只二极管。因此可控硅本质上是一个可控的二极管。可控硅的伏安特性可以概括为以下几点IG 0时如果在器件两端施加正向电压晶闸管处于截止状态门极电流出现并达到一定幅值时器件导通压降很小可控硅一旦导通不再需要门极去控制阳极电流降至接近于零的IH维持电流以下晶闸管再次正向阻断四、可控硅的开通过程观察其开通过程当G级有正电流时NPN结构开始导通主电流从P1N1节流经NPN结构形成通路。这个电流同时也作为PNP管子的基极电流。因此只要器件满足一定的直流增益要求它就会完全导通。一旦导通系统就不再依赖于正电流。这个导通过程需要一定的时间如中间图示所示。从电流关系来看I A α 2 I G I C B O 1 I C B O 2 1 − ( α 1 α 2 ) α 2 I G I C O 1 − ( α 1 α 2 ) I_A \frac{\alpha_2 I_G I_{CBO1} I_{CBO2}}{1 - (\alpha_1 \alpha_2)} \frac{\alpha_2 I_G I_{CO}}{1 - (\alpha_1 \alpha_2)}IA1−(α1α2)α2IGICBO1ICBO21−(α1α2)α2IGICO当两个三极管的瞬态电流增益的和α₁ α₂ ≈ 1时器件完全导通。简写精简版I A α 2 I G I C O 1 − ( α 1 α 2 ) I_A \frac{\alpha_2 I_G I_{CO}}{1 - (\alpha_1 \alpha_2)}IA1−(α1α2)α2IGICOα₁ α₂ ≈ 1→ 器件完全导通符号释义IA阳极电流IG门极电流α₁, α₂两个等效三极管共基电流增益ICBO集电极-基极反向漏电流ICO ICBO1 ICBO2从半导体角度的微观解释从半导体的角度来看导通是一个在P2区从接近阳极处逐渐扩大的过程这是一个发生在微秒级别的时间。而其关断过程由于线路中总会存在电感关断过程会比较长。关断过程的定义是从阳极电流下降到0开始到阳极电压重新过零这段时间的总和。关断时间反向恢复时间正向恢复时间阻塞时间若超过100微秒则该器件就被称为功率器件。这就是为什么可控硅只能用在低频的工频状态下因为它的关断时间已经接近了毫秒级的水平。五、可控硅的关断过程关断过程的定义是从阳极电流过零到阳极电压重新过零的这段总时间t q 反向阻断恢复时间阻塞期正向恢复时间 t_q \text{反向阻断恢复时间} \text{阻塞期} \text{正向恢复时间}tq反向阻断恢复时间阻塞期正向恢复时间关断时间超过100微秒六、非正向电流触发现象可控硅存在两种非正向电流触发现象在实际应用中需要特别注意和防范6.1 热触发当温度升高时共基极电流的增益也会升高。如果符合两个三极管的瞬态电流增益接近一的条件很小的温度变化就会诱发热触发。6.2 dV/dT 误触发第二种情况是由于dV/dT引起的误触发。因为三极管结构中存在很多发射极电容当承受很高的 dV/dT 时这些发射极电容会形成电流通路从而形成NPN管的基极电流触发可控硅。我们是要防止这种情况的产生。七、总结可控硅SCR作为晶体闸流管家族中最基础的一员其核心特性可以归纳为以下几点单向导电、半可控控制级仅能触发导通无法控制关断工频适用适用于50/60Hz低频交流场合不适用于高频场景直流需强制关断在直流应用中必须设计强制关断机制开关速度有限关断时间通常在百微秒到毫秒级限制了高频应用需注意误触发热触发和dV/dT误触发是实际设计中需要防范的关键问题理解可控硅的这些基本特性和工作原理是进一步研究双向可控硅、GTO等更复杂晶闸管器件的重要基础。

晶体闸流管（可控硅）原理详解：从结构到开关过程

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