一文讀懂：瞬態(tài)電壓抑制晶閘管的結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用設(shè)計(jì)

瞬態(tài)電壓抑制晶閘管是一種新型的瞬變電壓吸收器件，其基于四層PNPN半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)外來(lái)雷擊電涌、電網(wǎng)操作過(guò)電壓的電壓開(kāi)關(guān)型保護(hù)。它的外特性與氣體放電管類似，均為能量轉(zhuǎn)移型保護(hù)機(jī)制，但其性能更好一些，如響應(yīng)速度可短至數(shù)十納秒，導(dǎo)通后壓降很低，可低至3V左右，并且通流容量大，最大可高達(dá)5kA。此外，還具有動(dòng)作電壓穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、能雙方向吸收正負(fù)極性的瞬變電壓等優(yōu)點(diǎn)。因此，近年來(lái)，瞬態(tài)電壓抑制晶閘管在國(guó)內(nèi)外的低壓電器、電信網(wǎng)絡(luò)、消費(fèi)類電子產(chǎn)品的防浪涌保護(hù)中得到了廣泛應(yīng)用。

一、 基本結(jié)構(gòu)和工作原理

瞬態(tài)電壓抑制晶閘管實(shí)質(zhì)上是一個(gè)無(wú)觸發(fā)引腳的特殊雙向SCR。圖1（a）所示為雙向瞬態(tài)電壓抑制晶閘管的結(jié)構(gòu)原理圖。容易看出，其結(jié)構(gòu)由左側(cè)的PNPN晶閘管結(jié)構(gòu)和右側(cè)的NPNP晶閘管結(jié)構(gòu)并聯(lián)構(gòu)成，呈上下對(duì)稱。當(dāng)電極間電壓上正、下負(fù)時(shí)，如電壓不高，則中間三層的PNP為反向偏壓狀態(tài)，整個(gè)管子處于阻斷狀態(tài)，僅有幾微安很小的漏電流。當(dāng)外加電壓增大時(shí)，漏電流也隨之增加，此時(shí)左側(cè)的PNPN結(jié)構(gòu)實(shí)際上還構(gòu)成一個(gè)PNP晶體管和一個(gè)NPN晶體管的互補(bǔ)放大連接。當(dāng)外加電壓到一定數(shù)值時(shí)，增大的漏電流會(huì)使得這兩個(gè)晶體管的放大倍數(shù)增加，產(chǎn)生正反饋的相互放大作用，即電流放大倍數(shù)超過(guò)1。此時(shí)，兩個(gè)互補(bǔ)的晶體管迅速進(jìn)入飽和狀態(tài)，從而使整個(gè)管子迅速?gòu)淖钄酄顟B(tài)進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，管子兩端的電壓迅速下降，電流迅速增大，實(shí)現(xiàn)了對(duì)過(guò)電壓的開(kāi)關(guān)保護(hù)。當(dāng)外界過(guò)電壓能量釋放完畢后，隨著管子兩極間流過(guò)的電流下降到一定數(shù)值，互補(bǔ)放大晶體管的放大倍數(shù)也會(huì)下降到小于1，這時(shí)晶體管會(huì)脫離飽和狀態(tài)，恢復(fù)阻斷狀態(tài)。以上即為瞬態(tài)抑制晶閘管的基本工作過(guò)程。如外加電壓反向，則通過(guò)右側(cè)NPNP結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生同樣的上述過(guò)程。

圖1 雙向瞬態(tài)電壓抑制晶閘管的結(jié)構(gòu)原理圖

圖2（a）所示為雙向瞬態(tài)電壓抑制晶閘管的電路符號(hào)，圖2（b）為實(shí)物圖。與氣體放電管類似，一些生產(chǎn)廠家采用兩三個(gè)器件串聯(lián)或并聯(lián)在一起，達(dá)到便于應(yīng)用的目的。與由傳統(tǒng)的二極管和SCR組成的組合式晶閘管過(guò)電壓開(kāi)關(guān)保護(hù)電路相比，本結(jié)構(gòu)具有體積小、保護(hù)準(zhǔn)確、使用方便的優(yōu)點(diǎn)，因此得以廣泛應(yīng)用。

圖2  雙向瞬態(tài)電壓抑制晶閘管的電路符號(hào)和實(shí)物圖

二、 主要性能參數(shù)

圖3 伏安特性曲線

圖3 所示為瞬態(tài)電壓抑制晶閘管的伏安特性曲線，可以看出其與氣體放電管的特性有些類似。在關(guān)斷狀態(tài)，瞬態(tài)電壓抑制晶閘管的漏電流可小于5μA，幾乎是接近開(kāi)路；當(dāng)瞬態(tài)電壓超過(guò)VDRM時(shí)，瞬態(tài)電壓抑制晶閘管即象雪崩二極管一樣導(dǎo)通，將電流旁路，并且由于導(dǎo)通電壓可低至3～4V，器件可以承受很大的沖擊電流。圖中也標(biāo)出了抑制晶閘管的一些參數(shù)，下面對(duì)主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行說(shuō)明。

最大維持關(guān)斷電壓VDRM：保持晶閘管為關(guān)斷狀態(tài)，可施加的最大電壓。

開(kāi)通電壓VS：晶閘管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)之前，可施加的最大電壓。

通態(tài)電壓VT：在規(guī)定的導(dǎo)通電流下，管子兩端的最大電壓。

開(kāi)通電流IS：晶閘管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，所需要電流的最大值。

漏電流IDRM：晶閘管在VDRM關(guān)斷電壓下的漏電流的最大值。

擎住電流IH：保持晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)所需的最小電流。

脈沖電流峰值IPP：額定的最大脈沖電流峰值。

連續(xù)通態(tài)電流IT：晶閘管可通過(guò)的連續(xù)電流的最大值。

單周電涌電流峰值ITSM：晶閘管在一個(gè)周波內(nèi)，所允許通過(guò)的最大交流電流。

寄生電容Co：晶閘管在關(guān)斷時(shí)，兩電極間的電容，通常在1MHz下測(cè)量得出。

比較而言，該值比壓敏電阻、TVS管的寄生電容小一些。

電流上升率di/dt：晶閘管可接受的最大電流變化率。

電壓上升率dv/dt：晶閘管可接受的最大電壓變化率。

表5-9列出了Littelfuse公司生產(chǎn)的幾種瞬態(tài)電壓抑制晶閘管的型號(hào)及其參數(shù)性能。

可見(jiàn)，其在通態(tài)電壓、關(guān)斷漏電流等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。

表5-9 瞬態(tài)電壓抑制晶閘管的電氣參數(shù)

三、晶閘管的電路應(yīng)用設(shè)計(jì)

瞬態(tài)電壓抑制晶閘管與氣體放電管相比，具有反應(yīng)速度快、通態(tài)電壓低、在脈沖狀態(tài)下的觸發(fā)電壓與直流擊穿電壓較接近、體積小等優(yōu)點(diǎn)，也存在電流容量尚不能做到很大、寄生電容偏大等缺點(diǎn)，故適用于電信網(wǎng)絡(luò)、消費(fèi)類電子產(chǎn)品中。對(duì)于有雙向保護(hù)特性的瞬態(tài)電壓抑制晶閘管的具體保護(hù)應(yīng)用設(shè)計(jì)方案、參數(shù)選用流程與氣體放電管類似。

圖4 瞬態(tài)電壓抑制晶閘管與二極管的組合

圖5 并聯(lián)保護(hù)器件的伏安特性曲線

利用瞬態(tài)電壓抑制晶閘管的優(yōu)良特性，可以將其與二極管串聯(lián)或并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)一些特殊場(chǎng)合需要的單向過(guò)電壓保護(hù)功能。例如，在一些網(wǎng)絡(luò)接口電路中，被保護(hù)電路對(duì)電涌的極性是比較敏感的，為此可使用單方向作用的瞬態(tài)電壓抑制晶閘管。圖4（a）所示為二極管與瞬態(tài)電壓抑制晶閘管并聯(lián)的設(shè)計(jì)電路，圖4（b）所示為二極管與晶閘管串聯(lián)的設(shè)計(jì)電路，并且一些生產(chǎn)商已將它們組合封裝于一體。容易看出，并聯(lián)器件具有圖5所示的伏安特性曲線，可實(shí)現(xiàn)單向過(guò)電壓開(kāi)關(guān)保護(hù)功能。例如，在電信用戶接口電路（SLIC，Sub-scriber Line Interface Circuits）的過(guò)電壓保護(hù)中，要求對(duì)負(fù)極性的共模過(guò)電壓能進(jìn)行更低的電壓限制，此時(shí)利用新型組合式保護(hù)器件即可達(dá)到要求，圖6所示為電路設(shè)計(jì)方案。

圖6 SLIC的過(guò)電壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)方案

此外，利用晶閘管通流容量大、通態(tài)電壓低的特點(diǎn)，還可以改進(jìn)其響應(yīng)速度，降低其寄生電容，以用于集成電路或信號(hào)線纜的ESD脈沖保護(hù)。如圖7所示為快響應(yīng)晶閘管電路原理圖，主要措施是在四層PNPN結(jié)上加入了一個(gè)啟動(dòng)電阻R。可以看出，由于R的存在，當(dāng)外加電壓為下正、上負(fù)時(shí)，PNP晶體管會(huì)有較大啟動(dòng)電流，其與NPN兩個(gè)晶體管立刻形成放大導(dǎo)通狀態(tài)，將外界過(guò)電壓的能量泄放，使電極兩端的電壓僅為晶體管的飽和電壓；而當(dāng)外加電壓為上正、下負(fù)時(shí)，這兩個(gè)晶體管均反向關(guān)斷，因此不會(huì)導(dǎo)通，僅有微小的漏電流。因此該結(jié)構(gòu)具有單向限壓保護(hù)作用。此外，通過(guò)優(yōu)化PNPN層的厚度和設(shè)計(jì)，可以使響應(yīng)速度達(dá)到納秒級(jí)，通流值大，同時(shí)寄生電容也大大降低。利用上述特點(diǎn)，將該結(jié)構(gòu)與電源母線結(jié)合起來(lái)，可應(yīng)用于信號(hào)線路以及IC引腳的ESD過(guò)電壓保護(hù)。如圖8所示，當(dāng)正、負(fù)極性的ESD脈沖到來(lái)時(shí)，上晶閘管或下晶閘管相應(yīng)地迅速導(dǎo)通，利用V+、V-電壓母線鉗位住過(guò)電壓脈沖峰值，泄放干擾能量，起到保護(hù)作用。與二極管ESD鉗位方案相比，該晶閘管具有更強(qiáng)的吸收能力。圖9顯示了該電路在多根信號(hào)線纜上的保護(hù)應(yīng)用實(shí)例設(shè)計(jì)。

圖7 快響應(yīng)晶閘管電路原理圖

圖8 快速晶閘管母線鉗位電路

圖9 快速晶閘管ESD抑制電路設(shè)計(jì)

晶閘管器件還可以與穩(wěn)壓二極管等其他多種器件串、并聯(lián)，來(lái)實(shí)現(xiàn)特殊的保護(hù)要求。國(guó)內(nèi)外主要的電路保護(hù)器件生產(chǎn)商均有自己的設(shè)計(jì)，有需要的讀者可自行查閱相關(guān)產(chǎn)品手冊(cè)。