一文读懂：瞬态电压抑制晶闸管的结构、原理及应用设计

来源：JLE电路保护与器件更新时间：2024-07-13 阅读：

瞬态电压抑制晶闸管是一种新型的瞬变电压吸收器件，其基于四层PNPN半导体结构，实现了对外来雷击电涌、电网操作过电压的电压开关型保护。它的外特性与气体放电管类似，均为能量转移型保护机制，但其性能更好一些，如响应速度可短至数十纳秒，导通后压降很低，可低至3V左右，并且通流容量大，最大可高达5kA。此外，还具有动作电压稳定、使用寿命长、能双方向吸收正负极性的瞬变电压等优点。因此，近年来，瞬态电压抑制晶闸管在国内外的低压电器、电信网络、消费类电子产品的防浪涌保护中得到了广泛应用。

一、基本结构和工作原理

瞬态电压抑制晶闸管实质上是一个无触发引脚的特殊双向SCR。图1（a）所示为双向瞬态电压抑制晶闸管的结构原理图。容易看出，其结构由左侧的PNPN晶闸管结构和右侧的NPNP晶闸管结构并联构成，呈上下对称。当电极间电压上正、下负时，如电压不高，则中间三层的PNP为反向偏压状态，整个管子处于阻断状态，仅有几微安很小的漏电流。当外加电压增大时，漏电流也随之增加，此时左侧的PNPN结构实际上还构成一个PNP晶体管和一个NPN晶体管的互补放大连接。当外加电压到一定数值时，增大的漏电流会使得这两个晶体管的放大倍数增加，产生正反馈的相互放大作用，即电流放大倍数超过1。此时，两个互补的晶体管迅速进入饱和状态，从而使整个管子迅速从阻断状态进入导通状态，管子两端的电压迅速下降，电流迅速增大，实现了对过电压的开关保护。当外界过电压能量释放完毕后，随着管子两极间流过的电流下降到一定数值，互补放大晶体管的放大倍数也会下降到小于1，这时晶体管会脱离饱和状态，恢复阻断状态。以上即为瞬态抑制晶闸管的基本工作过程。如外加电压反向，则通过右侧NPNP结构，产生同样的上述过程。

图1 双向瞬态电压抑制晶闸管的结构原理图

图2（a）所示为双向瞬态电压抑制晶闸管的电路符号，图2（b）为实物图。与气体放电管类似，一些生产厂家采用两三个器件串联或并联在一起，达到便于应用的目的。与由传统的二极管和SCR组成的组合式晶闸管过电压开关保护电路相比，本结构具有体积小、保护准确、使用方便的优点，因此得以广泛应用。

图2 双向瞬态电压抑制晶闸管的电路符号和实物图

二、主要性能参数

图3 伏安特性曲线

图3 所示为瞬态电压抑制晶闸管的伏安特性曲线，可以看出其与气体放电管的特性有些类似。在关断状态，瞬态电压抑制晶闸管的漏电流可小于5μA，几乎是接近开路；当瞬态电压超过VDRM时，瞬态电压抑制晶闸管即象雪崩二极管一样导通，将电流旁路，并且由于导通电压可低至3～4V，器件可以承受很大的冲击电流。图中也标出了抑制晶闸管的一些参数，下面对主要技术参数进行说明。

最大维持关断电压VDRM：保持晶闸管为关断状态，可施加的最大电压。

开通电压VS：晶闸管进入导通状态之前，可施加的最大电压。

通态电压VT：在规定的导通电流下，管子两端的最大电压。

开通电流IS：晶闸管进入导通状态，所需要电流的最大值。

漏电流IDRM：晶闸管在VDRM关断电压下的漏电流的最大值。

擎住电流IH：保持晶闸管处于导通状态所需的最小电流。

脉冲电流峰值IPP：额定的最大脉冲电流峰值。

连续通态电流IT：晶闸管可通过的连续电流的最大值。

单周电涌电流峰值ITSM：晶闸管在一个周波内，所允许通过的最大交流电流。

寄生电容Co：晶闸管在关断时，两电极间的电容，通常在1MHz下测量得出。

比较而言，该值比压敏电阻、TVS管的寄生电容小一些。

电流上升率di/dt：晶闸管可接受的最大电流变化率。

电压上升率dv/dt：晶闸管可接受的最大电压变化率。

表5-9列出了Littelfuse公司生产的几种瞬态电压抑制晶闸管的型号及其参数性能。

可见，其在通态电压、关断漏电流等方面具有一定的优势。

表5-9 瞬态电压抑制晶闸管的电气参数

三、晶闸管的电路应用设计

瞬态电压抑制晶闸管与气体放电管相比，具有反应速度快、通态电压低、在脉冲状态下的触发电压与直流击穿电压较接近、体积小等优点，也存在电流容量尚不能做到很大、寄生电容偏大等缺点，故适用于电信网络、消费类电子产品中。对于有双向保护特性的瞬态电压抑制晶闸管的具体保护应用设计方案、参数选用流程与气体放电管类似。

图4 瞬态电压抑制晶闸管与二极管的组合

图5 并联保护器件的伏安特性曲线

利用瞬态电压抑制晶闸管的优良特性，可以将其与二极管串联或并联，实现一些特殊场合需要的单向过电压保护功能。例如，在一些网络接口电路中，被保护电路对电涌的极性是比较敏感的，为此可使用单方向作用的瞬态电压抑制晶闸管。图4（a）所示为二极管与瞬态电压抑制晶闸管并联的设计电路，图4（b）所示为二极管与晶闸管串联的设计电路，并且一些生产商已将它们组合封装于一体。容易看出，并联器件具有图5所示的伏安特性曲线，可实现单向过电压开关保护功能。例如，在电信用户接口电路（SLIC，Sub-scriber Line Interface Circuits）的过电压保护中，要求对负极性的共模过电压能进行更低的电压限制，此时利用新型组合式保护器件即可达到要求，图6所示为电路设计方案。

图6 SLIC的过电压保护电路设计方案

此外，利用晶闸管通流容量大、通态电压低的特点，还可以改进其响应速度，降低其寄生电容，以用于集成电路或信号线缆的ESD脉冲保护。如图7所示为快响应晶闸管电路原理图，主要措施是在四层PNPN结上加入了一个启动电阻R。可以看出，由于R的存在，当外加电压为下正、上负时，PNP晶体管会有较大启动电流，其与NPN两个晶体管立刻形成放大导通状态，将外界过电压的能量泄放，使电极两端的电压仅为晶体管的饱和电压；而当外加电压为上正、下负时，这两个晶体管均反向关断，因此不会导通，仅有微小的漏电流。因此该结构具有单向限压保护作用。此外，通过优化PNPN层的厚度和设计，可以使响应速度达到纳秒级，通流值大，同时寄生电容也大大降低。利用上述特点，将该结构与电源母线结合起来，可应用于信号线路以及IC引脚的ESD过电压保护。如图8所示，当正、负极性的ESD脉冲到来时，上晶闸管或下晶闸管相应地迅速导通，利用V+、V-电压母线钳位住过电压脉冲峰值，泄放干扰能量，起到保护作用。与二极管ESD钳位方案相比，该晶闸管具有更强的吸收能力。图9显示了该电路在多根信号线缆上的保护应用实例设计。