晶闸管(Thyristor)又称作可控硅整流器(Silicon Controlled Rectifier,SCR),是一种pnpn 四层结构的三端器件。晶闸管同时具有正向阻断和反向阻断的能力,施加一个较小的栅极电流就可触发它由正向阻断状态进入导通状态,并保持稳定的导通特性。SCR 在导通状态时可以被看作一个导通状态的 PiN 整流二极管。单个功率 SCR 的额定电流值已达 5000A,额定电压可达 8000V(即功率能够达到 40MW)。将多个功率SCR 串联在一起可以承受超过 100kV 以上的电压,以配合高压电力传输的需求。SCR 可在大电流低电压,或高电压小电流的稳定状态下工作,具有功耗低及效率高的节能优点,非常适用于交流电源电路,是大功率电子系统中常用的器件。已由 SCR 衍生出栅极关断晶闸管和集成栅极换流晶闸管等多种电力电子器件。
一个n⁺pn⁻p⁺晶闸管是由三个pn结J¹、J² 和J³组成的,如图 2-63 所示。在晶闸管的阳极加上负电压就进入反向阻断状态,此时J¹和J³结反偏,J²结正偏;由于J³结两侧掺杂浓度较高,只能承受较低的电压,所以加在阳极的反向阻断电压主要是由J¹结来承受。n⁻漂移区的摻杂浓度和厚度决定功率SCR 的反向阻断电压值,晶闸管在J¹结和J²结之间形成类似一个基极开路的双极晶体管;SCR 器件的击穿电压是由基极开路pnp 双极晶体管J¹结的击穿电压决定的,而不是由pn结的雪崩击穿电压决定的。在晶闸管的阳极施加正电压就进入正向阻断状态,此时J¹结和J³结正偏,而J²结则反偏,所加的正电压几乎全由n⁻漂移区承受。正向阻断电压主要由基极开路 npn 双极晶体管 J²结的击穿电压决定,而不是由 pn 结的雪崩击穿电压来决定。
SCR 在正向阻断状态的工作原理如图 2-64所示,图中npn 晶体管的基极与pnp晶体管的集电极相连,而pnp 晶体管的基极则与 npn晶体管的集电极相连。在正向阻断状态,施加一个小的栅极电流Iᴳ可增大 npn 晶体管的基极电流Iᴮ²而提高电流增益,因此使Iᶜ²变大;而Iᶜ²又是pnp 晶体管的基极电流Iᴮ¹,增大的Iᴮ¹则再放大pnp 晶体管的 lᶜ¹,进而得到更大的Iᴮ²。 这种正反馈强制晶体管进入饱和区而使 SCR 的三个结都处在正偏,此时 SCR 处在导通状态。一旦 SCR 进入导通状态,即使关断外部栅极电流Iᴳ,SCR 的正反馈过程仍旧能维持电流流动。
功率SCR 的电流-电压特性曲线如图2-65 所示,在SCR 阳极-阴极两端加上正电压Uᴬᴷ使其处于正向阻断状态,即使未施加栅极触发电流 (即Iᴳ= 0),当Uᴬᴷ增大到转折电压(Breakover Voltage)Uᴮᴼ时,SCR 也会发生转折导通,此时SCR 类似一个二极管。这种pnpn 结构的两端器件(没有栅极) 就成为转折二极管(Breakover Diode, BOD)。BOD可当作电路的过电压保护器件。在正向阻断的 SCR 上施加栅极触控电流Iᴳ可以使 SCR 在较低的正电压 Uᴬᴷ下发生转折导通。因此,可利用栅极触发电流Iᴳ来控制 SCR 触发导通的时刻,较大的Iᴳ可降低转折电压而使 SCR 提前导通,SCR 导通后,电流Iᴬ不会随着Iᴳ变化,即使降低或撤除Iᴳ,SCR 仍可依靠正反馈保持导通状态。此时 SCR 是在高电流低电压的稳定状态下工作,功耗很低。只有阳极电流Iᴬ低于维持电流(HoldingCurrent)Iᴴ才会回到阻断状态。在SCR 阳极-阴极两端加上负电压 Uᴬᴷ则使其处于反向阻断状态,优化p基区和n⁻漂移区的宽度及掺杂浓度可提高反向阻断电压,并降低泄漏电流,使 SCR 在高电压小电流的稳定状态下工作,降低了工作功耗。
审核编辑:汤梓红
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原文标题:晶闸管,晶閘管,Thyristor (SCR)
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