2022年9月26日
本实验活动的目的是检查硅控整流器(SCR)的结构和操作。SCR主要用于需要(在高电压下)控制更高功率

本实验活动的目的是检查硅控制整流器(SCR)的结构和操作。SCR主要用于需要在高电压下控制更高功率的装置。SCR可以在照明调节、电压调节器、电机控制等重型高压交流电源控制应用中打开和关闭大电流。此外,集成电路中可能会不小心形成SCR,如果触发,可能会导致电路故障、可靠性问题和损坏。

SCR是一种具有三个终端的四层固态电流控制装置。他们和传统二极管一样,具有阳极和阴极端子,第三种是控制端子,称为晶格。SCR是单向装置,像二极管和整流器一样,只向一个方向传输电流。SCR只能由传输到栅极的电流触发。同时具备二极管的整流功能和晶体管的开/关控制功能。

SCR通常用于电源开关应用程序。该设备在数控状态下将电流限制为泄漏电流。栅极-阴极电流超过特定阈值时,该设备打开并传输电流。如果通过装置的电流高于保持电流,则在消除栅极电流后,SCR将保持打开状态。一旦电流低于维持一段时间的电流,部件就会关闭。如果栅极发生脉冲,且通过设备的电流低于关闭电流,则设备将保持关闭状态。

图1b显示了SCR的四层结构,可以看到三个终端。一个位于外部P型水平(称为阳极A)。第二个是在称为阴极k的外部n型层上。下部NPN晶体管部分的第三个基座称为栅极G。

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图1。可控硅等效电路

如图1c所示,SCR可以被认为是两个单独的晶体管。SCR等效电路包括一个PNP晶体管和一个NPN晶体管,如图1d所示,两个晶体管相互连接。可以看到,每个晶体管的集电极连接到其他晶体管的基底上,形成正反馈电路。

SCR有两种稳定状态。第一,非导电的阻塞状态。如果栅极端子处于打开状态,首先假设电流不进入NPN晶体管Q2的基本极端。如果基流为零,Q2的集电极电流也为零。如果Q2的集电极电流为0,则从PNP晶体管Q1的基底流出的电流为0。如果Q1的基流为零,则Q1的集电极电流必须为零。这符合初始假设(Q2的基准电流为0)。因为Q1和Q2的集电极电流都是0(基极电流0),所以可以看出任何晶体管的发射极电流都应该是0。如果从发射极到集电极通过Q1或Q2的泄漏电流非常小,则这种零电流截止状态保持稳定。

第二种稳定状态是通过状态。通过向栅极端子注入少量电流,可以将SCR从关闭状态切换或切换到传导状态。在此电路中,即使刚刚关闭,也要执行相同的步骤。只要给Q2提供基极电流,就很容易看出更大的集电极电流(基极电流的NPN倍)开始传输。这个Q2集电极电流将是Q1的基极电流。Q1的这种基极电流在Q1中产生更大的集电极电流(基极电流的NPN倍)。Q1的集电极电流恢复到Q2的基极,进一步增加基极电流。一旦设置了该电流反馈电路,就可以消除初始栅极电流,只要SCR周围的外部电路通过SCR提供电流,SCR就会保持打开状态。关闭SCR的唯一方法是将电流降低到低于主要“保持”电流水平。

请注意,关于此正反馈循环,只要满足以下条件,SCR将保持打开状态,并保持此锁定状态:

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打开SCR时,从终端A到K的SCR两端的压降是Q1VBE和Q2VCESAT的总和,并与Q2VBE和Q1VCESAT的总和平行。我们知道集电极基座在饱和区域,即VCE小于VBE时BJT部件下降。两个晶体管的VCE下降到正反馈增益方程得到满足,PNP NPN等于1。

需要注意的是,BJT晶体管的集电极电流相对较小,根据上述方程,泄漏电流足够小,在这种低泄漏电流水平下,如果PNP NPN小于1,SCR将保持关闭状态。

虽然ADALP2000模拟部件工具包不包含SCR,但您可以配置图1d中所示的等效电路来模拟SCR。

材料

u ADI ADALM2000主动学习模块

u未焊接的试验板

U 2个1k电阻

2个U 100k电阻

1个U 0.1 F容量

u小信号NPN晶体管(2N3904)

u小信号PNP晶体管(2N3906)

说明

在无焊试验板上构建图2所示的SCR等效电路模型。

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图2.用于仿真SCR的电路

两个100 k电阻R1和R2分别安装在每个晶体管各自的VBE位置,确保任何小泄漏电流不会自行触发仿真的SCR。电阻R3将来自AWG2的电压脉冲转换为触发电流。

硬件设置

SCR的试验板连接如图3所示。

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图3.用于仿真SCR的电路试验板连接

程序步骤

AWG1应配置为正弦波,峰峰波幅为10V,零偏移,频率为100Hz。AWG2应配置为方波,峰峰波幅为800mV,400mV偏移,频率为100Hz。确保同时运行两个AWG通道。

触发通道1上的示波器。观察示波器通道1的输入正弦波和示波器通道2上通过RL的电压,按180至360步长调节AWG2的相位。根据AWG2的相位设置,得出的曲线可能如下图所示。可以看到,通过RL的电压为零,SCR处于关断状态,直到AWG2发出触发脉冲,SCR一直处于开启状态,直到输入正弦波电压超过零。

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图4.波形示例

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图5.Scopy波形示例

当SCR处于开启状态并传输电流时,测量并报告通过SCR的压降。

通过调节AWG2,找出可以触发SCR的最小脉冲电压(幅度)。根据此电压R3和Q2的VBE,估算最小触发电流。对结果进行说明。

尝试给R1和R2使用更大值(1M)和更小值(10k)。最小触发电压会如何改变?

使用0.1F电容替代电阻R3。该耦合电容充当微分器,将AWG输出的方波脉冲转变为方波的上升沿和下降沿上狭窄的正负尖峰电流。这会如何影响SCR的触发时间和触发方式?

集成电路中无意形成的寄生SCR

前面探讨了利用SCR特性的应用。遗憾的是,集成电路中可能不希望形成SCR,如果这些SCR触发,可能会导致电路故障,甚至导致集成电路产生可靠性问题和损坏。

闩锁

闩锁是一种潜在破坏性情况。这种情况会触发一个寄生SCR,造成正负电源短路。如果电流不受限制,会发生电气过应力。典型的闩锁情况发生在CMOS输出器件中,两个寄生基极-发射极结之一在过压事件期间暂时正向偏置时,驱动器晶体管和井会形成4层PNPN SCR结构。SCR开启并实际上造成VDD和地之间的短路。

由于所有这些MOS器件都位于单片芯片上,出现适当的外部刺激时,寄生SCR器件可能会开启,这种情况在设计不良的CMOS电路中很常见。图6是两个晶体管的简化截面图,一个PMOS,一个NMOS;它们可以连接在一起作为逻辑门使用,或作为模拟放大器,或开关使用。寄生双极晶体管负责进行闩锁,Q1(纵向PNP)和Q2(横向NPN),如下图所示。

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图6.PMOS和NMOS器件的截面图,包含寄生晶体管Q1和Q2

当然,可以采用合适的设计方法来减少SCR形成的几率,包括增大NMOS和PMOS器件之间的间距,以及在NWELL和PWELL之间和周围插入高掺杂区。这两种布局方法都试图将纵向PNP或横向NPN寄生双极晶体管的降低到小于1。其中一些方法还倾向于降低RPWELL和RNWELL的电阻,从而增加开启SCR所需的最小触发电流。

问题:

1.SCR与普通整流二极管有何不同?您可以在学子专区 论坛上找到答案。

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关于ADI公司

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作者简介

Doug Mercer于1977年毕业于伦斯勒理工学院(RPI),获电子工程学士学位。自1977年加入ADI公司以来,他直接或间接贡献了30多款数据转换器产品,并拥有13项专利。他于1995年被任命为ADI研究员。2009年,他从全职工作转型,并继续以名誉研究员身份担任ADI顾问,为“主动学习计划”撰稿。2016年,他被任命为RPI ECSE系的驻校工程师。

Antoniu Miclaus现为ADI公司的系统应用工程师,从事ADI教学项目工作,同时为Circuits from the Lab、QA自动化和流程管理开发嵌入式软件。他于2017年2月在罗马尼亚克卢日-纳波卡加盟ADI公司。他目前是贝碧思鲍耶大学软件工程硕士项目的理学硕士生,拥有克卢日-纳波卡科技大学电子与电信工程学士学位。

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