【導(dǎo)讀】本實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的目的是檢查硅控整流器(SCR)的結(jié)構(gòu)和操作。SCR主要用在需要(在高電壓下)控制更高功率的器件中。SCR能夠開(kāi)啟和關(guān)斷大電流,所以適合用于中高壓AC電源控制應(yīng)用中,例如燈光調(diào)節(jié)、穩(wěn)壓器和電機(jī)控制。此外,集成電路中可能無(wú)意形成SCR,當(dāng)它們被觸發(fā)時(shí),可能導(dǎo)致電路故障,甚至出現(xiàn)可靠性問(wèn)題和造成損壞。
背景知識(shí)
SCR是一種4層固態(tài)電流控制器件,具有三個(gè)端子。它們和傳統(tǒng)二極管一樣具有陽(yáng)極和陰極端子,第三個(gè)為控制端子,被稱為柵極。SCR是單向器件:只在一個(gè)方向傳輸電流,就像二極管或整流器一樣。SCR只能由傳輸至柵極的電流觸發(fā);它兼具二極管的整流功能和晶體管的開(kāi)/關(guān)控制功能;
一般用于電源開(kāi)關(guān)應(yīng)用。在常閉狀態(tài)下,該器件將電流限制為泄漏電流。當(dāng)柵極到陰極的電流超過(guò)一定閾值時(shí),該器件開(kāi)啟并傳輸電流。只要通過(guò)器件的電流高于保持電流,即使在消除柵極電流后,SCR仍然保持開(kāi)啟狀態(tài)。一旦電流低于保持電流一段時(shí)間,器件就會(huì)關(guān)斷。如果柵極出現(xiàn)脈沖,并且通過(guò)器件的電流低于閉鎖電流,器件將保持關(guān)斷狀態(tài)。
圖1b顯示SCR的4層結(jié)構(gòu),我們可以看到3個(gè)端子:一個(gè)位于外部P型層上,稱為陽(yáng)極A;第二個(gè)位于外部n型層上,稱為陰極K;第三個(gè)位于下部NPN晶體管部分的基極, 稱為柵極G。
圖1.SCR等效電路。
如圖1c所示,SCR可以視為兩個(gè)單獨(dú)的晶體管。SCR等效電路由一個(gè)PNP晶體管和一個(gè)NPN晶體管組成,兩個(gè)晶體管互相連接,如圖1d所示。我們可以看到,每個(gè)晶體管的集電極都連接到另一個(gè)晶體管的基極,形成一個(gè)正反饋回路。
SCR具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)。第一種,不導(dǎo)電的關(guān)斷狀態(tài)。在柵極端子開(kāi)啟的情況下,我們先假設(shè)沒(méi)有電流流入NPN晶體管Q2的基極端子。如果基極電流為零,Q2的集電極電流也為零。如果Q2的集電極電流為零,那么從PNP晶體管Q1的基極流出的電流為零。如果Q1的基極電流為零,那么Q1的集電極電流應(yīng)為零。這與我們的初始假設(shè)(Q2的基極電流為零)是一致的。由于Q1和Q2的集電極電流均為零(基極電流為零),我們可以得出,任何一個(gè)晶體管中的發(fā)射極電流也應(yīng)為零。只要從發(fā)射極到集電極,通過(guò)Q1或Q2的任何泄漏電流非常小,這種零電流關(guān)斷狀態(tài)就會(huì)保持穩(wěn)定。
第二種穩(wěn)定狀態(tài)是導(dǎo)通狀態(tài)。可以通過(guò)將少量電流注入柵極端子,使SCR從關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換或切換至導(dǎo)通狀態(tài)。在這個(gè)回路中執(zhí)行剛剛在關(guān)斷狀態(tài)下的相同步驟,我們可以看到,只要向Q2提供基極電流,就會(huì)有較大的集電極電流(是基極電流的?NPN倍)開(kāi)始傳輸。這個(gè)Q2集電極電流將變成Q1的基極電流。Q1中的這個(gè)基極電流在Q1中產(chǎn)生更大的集電極電流(基極電流的?PNP倍)。Q1的集電極電流回流到Q2的基極,使其基極電流進(jìn)一步增大。這個(gè)電流反饋回路建立之后,初始柵極電流可以消除,而只要SCR周圍的外部電路通過(guò)SCR提供電流,SCR就會(huì)保持開(kāi)啟狀態(tài)。關(guān)斷SCR的唯一方式是使電流降低至低于關(guān)鍵“保持”電流水平。
關(guān)于這個(gè)正反饋回路,有一點(diǎn)需要注意:只要滿足以下條件,SCR將會(huì)保持開(kāi)啟狀態(tài),并且會(huì)一直處于這種閉鎖狀態(tài):
當(dāng)SCR處于開(kāi)啟狀態(tài),從端子A到K在SCR兩端的壓降是Q1VBE和Q2VCESAT之和,與Q2VBE和Q1VCESAT之和并聯(lián)。我們知道,當(dāng)集電極基極結(jié)正向偏置到飽和區(qū)域,即VCE小于VBE時(shí),BJT器件的?下降。兩個(gè)晶體管的VCE會(huì)下降,直到滿足正反饋增益方程,且?PNP × ?NPN等于1。
值得注意的是,BJT晶體管的?在集電極電流較小時(shí)也較小,根據(jù)上述方程,如果泄漏電流足夠小,導(dǎo)致在這個(gè)低泄漏電流水平下,?PNP × ?NPN小于1,那么SCR會(huì)保持在關(guān)斷狀態(tài)。
ADALP2000模擬部件套件 不包含SCR,但我們可以利用分立式PNP和NPN晶體管來(lái)構(gòu)建圖1d所示的等效電路,以仿真SCR。
材料
● ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊
● 無(wú)焊試驗(yàn)板
● 兩個(gè)1 k?電阻
● 兩個(gè)100 k?電阻
● 一個(gè)0.1 μF電容
● 一個(gè)小信號(hào)NPN晶體管(2N3904)
● 一個(gè)小信號(hào)PNP晶體管(2N3906)
說(shuō)明
在無(wú)焊試驗(yàn)板上構(gòu)建圖2所示的SCR等效電路模型。
圖2.用于仿真SCR的電路。
兩個(gè)100 kΩ電阻R1和R2分別安裝在每個(gè)晶體管各自的VBE位置,確保任何小泄漏電流不會(huì)自行觸發(fā)仿真的SCR。電阻R3將來(lái)自AWG2的電壓脈沖轉(zhuǎn)換為觸發(fā)電流。
硬件設(shè)置
SCR的試驗(yàn)板連接如圖3所示。
圖3.用于仿真SCR的電路試驗(yàn)板連接。
程序步驟
AWG1應(yīng)配置為正弦波,峰峰波幅為10 V,零偏移,頻率為100 Hz。AWG2應(yīng)配置為方波,峰峰波幅為800 mV,400 mV偏移,頻率為 100 Hz。確保同時(shí)運(yùn)行兩個(gè)AWG通道。
觸發(fā)通道1上的示波器。觀察示波器通道1的輸入正弦波和示波器通道2上通過(guò)RL的電壓,按180°至360°步長(zhǎng)調(diào)節(jié)AWG2的相位。根據(jù)AWG2的相位設(shè)置,得出的曲線可能如下圖所示??梢钥吹剑ㄟ^(guò)RL的電壓為零,SCR處于關(guān)斷狀態(tài),直到AWG2發(fā)出觸發(fā)脈沖,SCR一直處于開(kāi)啟狀態(tài),直到輸入正弦波電壓超過(guò)零。
圖4.波形示例。
圖5.Scopy波形示例。
當(dāng)SCR處于開(kāi)啟狀態(tài)并傳輸電流時(shí),測(cè)量并報(bào)告通過(guò)SCR的壓降。
通過(guò)調(diào)節(jié)AWG2,找出可以觸發(fā)SCR的最小脈沖電壓(幅度)。根據(jù)此電壓R3和Q2的VBE,估算最小觸發(fā)電流。對(duì)結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明。
嘗試給R1和R2使用更大值(1 M?)和更小值(10 k?)。最小觸發(fā)電壓會(huì)如何改變?
使用0.1 μF電容替代電阻R3。該耦合電容充當(dāng)微分器,將AWG輸出的方波脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲ǖ纳仙睾拖陆笛厣溪M窄的正負(fù)尖峰電流。這會(huì)如何影響SCR的觸發(fā)時(shí)間和觸發(fā)方式?
集成電路中無(wú)意形成的寄生SCR
我們探討了利用SCR特性的應(yīng)用。遺憾的是,集成電路中可能不希望形成SCR,如果這些SCR觸發(fā),可能會(huì)導(dǎo)致電路故障,甚至導(dǎo)致集成電路產(chǎn)生可靠性問(wèn)題和損壞。
閂鎖
閂鎖是一種潛在破壞性情況。這種情況會(huì)觸發(fā)一個(gè)寄生SCR,造成正負(fù)電源短路。如果電流不受限制,會(huì)發(fā)生電氣過(guò)應(yīng)力。典型的閂鎖情況發(fā)生在CMOS輸出器件中,兩個(gè)寄生基極-發(fā)射極結(jié)之一在過(guò)壓事件期間暫時(shí)正向偏置時(shí),驅(qū)動(dòng)器晶體管和井會(huì)形成4層PNPN SCR結(jié)構(gòu)。SCR開(kāi)啟并實(shí)際上造成VDD和地之間的短路。
由于所有這些MOS器件都位于單片芯片上,出現(xiàn)適當(dāng)?shù)耐獠考?lì)時(shí),寄生SCR器件可能會(huì)開(kāi)啟,這種情況在設(shè)計(jì)不良的CMOS電路中很常見(jiàn)。圖6是兩個(gè)晶體管的簡(jiǎn)化截面圖,一個(gè)PMOS,一個(gè)NMOS;它們可以連接在一起作為邏輯門(mén)使用,或作為模擬放大器或開(kāi)關(guān)使用。寄生雙極晶體管負(fù)責(zé)進(jìn)行閂鎖,Q1(縱向PNP)和Q2(橫向NPN)如圖所示。
圖6.PMOS和NMOS器件的截面圖,包含寄生晶體管Q1和Q2。
可以采用合適的設(shè)計(jì)方法減少SCR形成的幾率,包括增大NMOS和PMOS器件之間的間距,以及在NWELL和PWELL之間和周圍插入高摻雜區(qū)。這兩種布局方法都試圖將縱向PNP或橫向NPN寄生雙極晶體管的?降低到小于1。其中一些方法還傾向于降低RPWELL和RNWELL的電阻,從而增加開(kāi)啟SCR所需的最小觸發(fā)電流。
問(wèn)題:
SCR與普通整流二極管有何不同?您可以在 學(xué)子專區(qū) 論壇上找到答案。
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