一文讀懂：瞬態電壓抑制晶閘管的結構、原理及應用設計

來源：JLE電路保護與器件更新時間：2024-07-13 閱讀：

瞬態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半導體結構，實現了對外來雷擊電涌、電網操作過電壓的電壓開關型保護。它的外特性與氣體放電管類似，均為能量轉移型保護機制，但其性能更好一些，如響應速度可短至數十納秒，導通后壓降很低，可低至3V左右，并且通流容量大，最大可高達5kA。此外，還具有動作電壓穩定、使用壽命長、能雙方向吸收正負極性的瞬變電壓等優點。因此，近年來，瞬態電壓抑制晶閘管在國內外的低壓電器、電信網絡、消費類電子產品的防浪涌保護中得到了廣泛應用。

一、基本結構和工作原理

瞬態電壓抑制晶閘管實質上是一個無觸發引腳的特殊雙向SCR。圖1（a）所示為雙向瞬態電壓抑制晶閘管的結構原理圖。容易看出，其結構由左側的PNPN晶閘管結構和右側的NPNP晶閘管結構并聯構成，呈上下對稱。當電極間電壓上正、下負時，如電壓不高，則中間三層的PNP為反向偏壓狀態，整個管子處于阻斷狀態，僅有幾微安很小的漏電流。當外加電壓增大時，漏電流也隨之增加，此時左側的PNPN結構實際上還構成一個PNP晶體管和一個NPN晶體管的互補放大連接。當外加電壓到一定數值時，增大的漏電流會使得這兩個晶體管的放大倍數增加，產生正反饋的相互放大作用，即電流放大倍數超過1。此時，兩個互補的晶體管迅速進入飽和狀態，從而使整個管子迅速從阻斷狀態進入導通狀態，管子兩端的電壓迅速下降，電流迅速增大，實現了對過電壓的開關保護。當外界過電壓能量釋放完畢后，隨著管子兩極間流過的電流下降到一定數值，互補放大晶體管的放大倍數也會下降到小于1，這時晶體管會脫離飽和狀態，恢復阻斷狀態。以上即為瞬態抑制晶閘管的基本工作過程。如外加電壓反向，則通過右側NPNP結構，產生同樣的上述過程。

圖1 雙向瞬態電壓抑制晶閘管的結構原理圖

圖2（a）所示為雙向瞬態電壓抑制晶閘管的電路符號，圖2（b）為實物圖。與氣體放電管類似，一些生產廠家采用兩三個器件串聯或并聯在一起，達到便于應用的目的。與由傳統的二極管和SCR組成的組合式晶閘管過電壓開關保護電路相比，本結構具有體積小、保護準確、使用方便的優點，因此得以廣泛應用。

圖2 雙向瞬態電壓抑制晶閘管的電路符號和實物圖

二、主要性能參數

圖3 伏安特性曲線

圖3 所示為瞬態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。在關斷狀態，瞬態電壓抑制晶閘管的漏電流可小于5μA，幾乎是接近開路；當瞬態電壓超過VDRM時，瞬態電壓抑制晶閘管即象雪崩二極管一樣導通，將電流旁路，并且由于導通電壓可低至3～4V，器件可以承受很大的沖擊電流。圖中也標出了抑制晶閘管的一些參數，下面對主要技術參數進行說明。

最大維持關斷電壓VDRM：保持晶閘管為關斷狀態，可施加的最大電壓。

開通電壓VS：晶閘管進入導通狀態之前，可施加的最大電壓。

通態電壓VT：在規定的導通電流下，管子兩端的最大電壓。

開通電流IS：晶閘管進入導通狀態，所需要電流的最大值。

漏電流IDRM：晶閘管在VDRM關斷電壓下的漏電流的最大值。

擎住電流IH：保持晶閘管處于導通狀態所需的最小電流。

脈沖電流峰值IPP：額定的最大脈沖電流峰值。

連續通態電流IT：晶閘管可通過的連續電流的最大值。

單周電涌電流峰值ITSM：晶閘管在一個周波內，所允許通過的最大交流電流。

寄生電容Co：晶閘管在關斷時，兩電極間的電容，通常在1MHz下測量得出。

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公司生產的幾種瞬態電壓抑制晶閘管的型號及其參數性能。

可見，其在通態電壓、關斷漏電流等方面具有一定的優勢。

表5-9 瞬態電壓抑制晶閘管的電氣參數

三、晶閘管的電路應用設計

瞬態電壓抑制晶閘管與氣體放電管相比，具有反應速度快、通態電壓低、在脈沖狀態下的觸發電壓與直流擊穿電壓較接近、體積小等優點，也存在電流容量尚不能做到很大、寄生電容偏大等缺點，故適用于電信網絡、消費類電子產品中。對于有雙向保護特性的瞬態電壓抑制晶閘管的具體保護應用設計方案、參數選用流程與氣體放電管類似。

圖4 瞬態電壓抑制晶閘管與二極管的組合

圖5 并聯保護器件的伏安特性曲線

利用瞬態電壓抑制晶閘管的優良特性，可以將其與二極管串聯或并聯，實現一些特殊場合需要的單向過電壓保護功能。例如，在一些網絡接口電路中，被保護電路對電涌的極性是比較敏感的，為此可使用單方向作用的瞬態電壓抑制晶閘管。圖4（a）所示為二極管與瞬態電壓抑制晶閘管并聯的設計電路，圖4（b）所示為二極管與晶閘管串聯的設計電路，并且一些生產商已將它們組合封裝于一體。容易看出，并聯器件具有圖5所示的伏安特性曲線，可實現單向過電壓開關保護功能。例如，在電信用戶接口電路（SLIC，Sub-scriber Line Interface Circuits）的過電壓保護中，要求對負極性的共模過電壓能進行更低的電壓限制，此時利用新型組合式保護器件即可達到要求，圖6所示為電路設計方案。

圖6 SLIC的過電壓保護電路設計方案

此外，利用晶閘管通流容量大、通態電壓低的特點，還可以改進其響應速度，降低其寄生電容，以用于集成電路或信號線纜的ESD脈沖保護。如圖7所示為快響應晶閘管電路原理圖，主要措施是在四層PNPN結上加入了一個啟動電阻R。可以看出，由于R的存在，當外加電壓為下正、上負時，PNP晶體管會有較大啟動電流，其與NPN兩個晶體管立刻形成放大導通狀態，將外界過電壓的能量泄放，使電極兩端的電壓僅為晶體管的飽和電壓；而當外加電壓為上正、下負時，這兩個晶體管均反向關斷，因此不會導通，僅有微小的漏電流。因此該結構具有單向限壓保護作用。此外，通過優化PNPN層的厚度和設計，可以使響應速度達到納秒級，通流值大，同時寄生電容也大大降低。利用上述特點，將該結構與電源母線結合起來，可應用于信號線路以及IC引腳的ESD過電壓保護。如圖8所示，當正、負極性的ESD脈沖到來時，上晶閘管或下晶閘管相應地迅速導通，利用V+、V-電壓母線鉗位住過電壓脈沖峰值，泄放干擾能量，起到保護作用。與二極管ESD鉗位方案相比，該晶閘管具有更強的吸收能力。圖9顯示了該電路在多根信號線纜上的保護應用實例設計。