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ADALM2000實驗:硅控整流器(SCR)

發(fā)布時間:2022-08-01 來源:ADI 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】本實驗活動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,集成電路中可能無意形成SCR,當(dāng)它們被觸發(fā)時,可能導(dǎo)致電路故障,甚至出現(xiàn)可靠性問題和造成損壞。


背景知識


SCR是一種4層固態(tài)電流控制器件,具有三個端子。它們和傳統(tǒng)二極管一樣具有陽極和陰極端子,第三個為控制端子,被稱為柵極。SCR是單向器件:只在一個方向傳輸電流,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/關(guān)控制功能;


一般用于電源開關(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一定閾值時,該器件開啟并傳輸電流。只要通過器件的電流高于保持電流,即使在消除柵極電流后,SCR仍然保持開啟狀態(tài)。一旦電流低于保持電流一段時間,器件就會關(guān)斷。如果柵極出現(xiàn)脈沖,并且通過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個端子:一個位于外部P型層上,稱為陽極A;第二個位于外部n型層上,稱為陰極K;第三個位于下部NPN晶體管部分的基極, 稱為柵極G。


1.jpg

圖1.SCR等效電路。


如圖1c所示,SCR可以視為兩個單獨的晶體管。SCR等效電路由一個PNP晶體管和一個NPN晶體管組成,兩個晶體管互相連接,如圖1d所示。我們可以看到,每個晶體管的集電極都連接到另一個晶體管的基極,形成一個正反饋回路。


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)。在柵極端子開啟的情況下,我們先假設(shè)沒有電流流入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)就會保持穩(wěn)定。


第二種穩(wěn)定狀態(tài)是導(dǎo)通狀態(tài)??梢酝ㄟ^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,就會有較大的集電極電流(是基極電流的?NPN倍)開始傳輸。這個Q2集電極電流將變成Q1的基極電流。Q1中的這個基極電流在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SCR提供電流,SCR就會保持開啟狀態(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)于這個正反饋回路,有一點需要注意:只要滿足以下條件,SCR將會保持開啟狀態(tài),并且會一直處于這種閉鎖狀態(tài):


2.png


當(dāng)SCR處于開啟狀態(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,BJT器件的?下降。兩個晶體管的VCE會下降,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)致在這個低泄漏電流水平下,?PNP × ?NPN小于1,那么SCR會保持在關(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晶體管來構(gòu)建圖1d所示的等效電路,以仿真SCR。


材料


●   ADALM2000主動學(xué)習(xí)模塊

●   無焊試驗板

●   兩個1 k?電阻

●   兩個100 k?電阻

●   一個0.1 μF電容

●   一個小信號NPN晶體管(2N3904)

●   一個小信號PNP晶體管(2N3906)


說明


在無焊試驗板上構(gòu)建圖2所示的SCR等效電路模型。


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圖2.用于仿真SCR的電路。


兩個100 kΩ電阻R1和R2分別安裝在每個晶體管各自的VBE位置,確保任何小泄漏電流不會自行觸發(fā)仿真的SCR。電阻R3將來自AWG2的電壓脈沖轉(zhuǎn)換為觸發(fā)電流。


硬件設(shè)置


SCR的試驗板連接如圖3所示。


4.jpg

圖3.用于仿真SCR的電路試驗板連接。


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。確保同時運行兩個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RL的電壓,按180°至360°步長調(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?,通過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一直處于開啟狀態(tài),直到輸入正弦波電壓超過零。


5.png

圖4.波形示例。


6.jpg

圖5.Scopy波形示例。


當(dāng)SCR處于開啟狀態(tài)并傳輸電流時,測量并報告通過SCR的壓降。


通過調(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。對結(jié)果進(jìn)行說明。


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。這會如何影響SCR的觸發(fā)時間和觸發(fā)方式?


集成電路中無意形成的寄生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),可能會導(dǎo)致電路故障,甚至導(dǎo)致集成電路產(chǎn)生可靠性問題和損壞。


閂鎖


閂鎖是一種潛在破壞性情況。這種情況會觸發(fā)一個寄生SCR,造成正負(fù)電源短路。如果電流不受限制,會發(fā)生電氣過應(yīng)力。典型的閂鎖情況發(fā)生在CMOS輸出器件中,兩個寄生基極-發(fā)射極結(jié)之一在過壓事件期間暫時正向偏置時,驅(qū)動器晶體管和井會形成4層PNPN SCR結(jié)構(gòu)。SCR開啟并實際上造成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顣r,寄生SCR器件可能會開啟,這種情況在設(shè)計不良的CMOS電路中很常見。圖6是兩個晶體管的簡化截面圖,一個PMOS,一個NMOS;它們可以連接在一起作為邏輯門使用,或作為模擬放大器或開關(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。


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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,從而增加開啟SCR所需的最小觸發(fā)電流。


問題:


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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