安森美晶闸管浪涌保护器件

中心论题：

• 分析晶闸管的保护特性
• 提出TSPD并分析其特性

解决方案：

• 使用TSPD可解决简单晶闸管不对称保护特性的缺陷
• TSPD有双向和单向之分

晶闸管的过压保护设备是基于一对双极性晶体管，这一对双极性晶体管是由四层不同掺杂的N，P极组成，如图1所示。N型掺杂的N1，P型掺杂的P1，和N型掺杂的N2分别构成NPN晶体管的发射极，基极和收集极，而P型掺杂的P2，N型掺杂的N2，和P型掺杂的P1分别构成了PNP晶体管的发射极，基极，和收集极。这样一来一个晶体管的收集极是另外一个晶体管的基极。按这种方法那么一个晶体管的发射极到收集极流过的电流就是流向另一个晶体管的基极的电流。如果加一个从阳极到阴极的正电压，那两个三极管的发射极与基极之间，即J1和J3，都是正向电压偏置。只有J2处PN结形成反向电压偏置时才能阻碍电流流动。如果从阳极到阴极的电压增加到大于J2处PN结的击穿电压，电流就开始直接流向两个双极性晶体管的基极。这使得两个三极管都导通，会导致含有两个三极管的晶闸管的电阻下降，并且晶闸管两端的电压也会减小。如图2所示我们可以看到晶闸管的从阳极到阴极的正电流存在时的电压-电流曲线。有着这样的电压-电流曲线特性的保护器件一定会有非常优秀的保护特性。当保护器件在触发后，工作电压下降时保护器件可以承受大的电流并且自身功耗很小。事实上，具有这种电压-电流曲线特性的保护器件通常被称为“消弧”保护器件，因为这就好比是通过把一个“金属消弧”放置在需要保护的端口来实现保护作用的。值得注意的是只有当电流或者电压降到阈值点以下，才能使得晶闸管回到高阻态，如图2所示。

图1 晶闸管物理结构和电路

图2 晶闸管正向导通的电流-电压(I-V)曲线

而当在阳极到阴极之间加一个负电压偏置时，情况就完全不同了。因为此时只有J2处PN结是正向偏置，而这个正向偏压PN结可以认为是这对双极性晶体管的发射极和基极，这种非常规的情况如图3所示 。同一个PN充当两个三极管的发射极是不可能的。至于阳极到阴极成反偏压的晶闸管情况很类似一个反向偏压的二极管如图4所示。

图3 晶闸管在负电压偏置下

图 4 晶闸管的电流-电压(I-V)曲线

在图4中可以看到一个简单的晶闸管的保护特性是很不对称的。在电压轴的正方向晶闸管导通会导致电阻急剧减少，而在电压轴的负方向晶闸管会发生电位钳制的动作，相当于一种基于TVS器件的二极管。为了具备对称的过压保护功能，我们必要使用两个反平行的晶闸管。这可以由一对不连续的晶闸管来实现，如图5a所示；或者可以由五种不同掺杂浓度的P区或N区组成的硅器件来实现，如图5b所示那样，这种器件一般就被叫做晶闸管浪涌保护器件(TSPD)，它的电流-电压曲线特性如图6所示。

图5 非平行的晶闸管 a) 一对非平行的晶闸管 b) 集成于单个硅器件的非平行的晶闸管

图6 一对非平行的晶闸管的电流-电压(I-V)曲线

大多数晶闸管浪涌保护器件(TSPD)是对称的双向特性的，但也有内含二极管单向特性的，如图7所示。而不对称的双向晶闸管浪涌保护器件(TSPD)是在一个极性方向有着减小了的触发电压，如图7所示。

图7 双向和单向的晶闸管浪涌保护器件(TSPD)的例子

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