原创 固体放电管在浪涌抑制电路的应用

固体放电管

固体放电管是基于晶闸管原理和结构的一种两端负阻器件。可以吸收突波，抑制过高电压，达到保护易损组件的目的。该器件是在硅单晶片两面同时掺杂同种杂质而形成。简单的结构如图1所示。图中p区和n区连结在一起。选用不同的材料和工艺，可以做出各种不同电压和电流的放电管。　　

图1　结构图

　　固态放电管的工作原理和一个两端的可控硅相似，简述如下：
　　从结构图可以看出，固态放电管两面的结构基本上是相同的。在使用中两个极都有加高电位的可能性。在分析工作原理时，假定A接高电位，K接低电位，该器件的特性曲线如图2所示，可以把导通与阻断的过程分为四个阶段。　　

图2　V-I曲线

　　1)阻断区：图2中的0到VBR段。
　　此时器件所加电压低于击穿电压，J1正偏，J2为反偏，电流很小，J2起到了阻挡电流的作用。外加电压几乎都加在了J2上，由于漏电流很小，固态放电管电阻很大，故称为阻断区。
　　2)雪崩区：VBR到VBO段
　　所加电压从VBR逐渐增加到VBO时，J2的空间电荷区内的电场很强，区的宽度被拉得很宽，区内的载流子在足够强的电场作用下，产生了倍增效应，通过J2的载流子突然增加，电流也突然增大，这就是雪崩区。
　　3)负阻区：VBO到A段
　　当外加电压增加到大于VBO时由于雪崩效应而产生了大量的电子空穴对，此时这些载流子在电场的强烈的抽取作用下，进入N2区，大量的电子与空穴因不能很快复合而分别积累在N2区和P2区，因而使J2空间电荷区的电场减弱，降落在J2上的电压将下降，雪崩效应随之减弱，但外加电压并不变，这样加在其它结上的正偏压要增加，从而使通过J2的电流增大，于是，出现了电压不变而电流增加的负阻现象。
　　4)导通区：A到B段
　　雪崩效应，使J2空间电荷区越变越窄且由反偏变成了正偏，这样器件的阻抗变得很低，电流变得很大，于是器件由高阻的阻断状态，变成了低阻的导通状态，其伏安特性曲线类似于整流元件的正向特性。
　　从上述原理中可以看出，当外加电压低于VBR时，漏电流很小，处于断开状态。不影响被保护组件的正常工作。当外加电压大于VBO时，放电管很快进入导通状态，压降很小，起到了保护作用。外加电压去掉后，电流很快就降到低于维持电流IH，放电管自然恢复，回到断开状态。
　　综上所述，该器件的优点是导通电压小，几乎无热耗，可重复使用，能承受较大的冲击电流，响应快，使用安全、可靠，其性能优于其它瞬间过压保护元器件。
　　固态放电管与其他瞬间过电压保护器件的比较见表1。

表1　固态放电管与其它瞬间过压保护器件性能比较

器件类别    固态放电管    气体放电管    TVS二极管
保护方式    负阻    负阻    箝位
原理    固态四层可控硅结构    气体电离导电    雪崩二极管
响应时间    ＜1ns    ＞1μs    ＞1ns
电容    50pF    1pF    50pF
最大瞬间电流(8/200)μs    3000A    20000A    50A
最大漏电流    1μA    1pA    20μA
重复使用可靠性    无限重复使用    可能蜕化    可能损坏
主要优点    精确导通，无限重复快速响应    瞬间电流最大    低电压使用，价廉
主要缺点    瞬间电流较小    响应时间缓慢    瞬间电流最小


注：固态放电管使用时注意事项
1)击穿电压必须大于被保护组件的最大工作电压
2)转折电压必须小于被保护组件所允许的瞬间峰值电压

PS：
固体放电管的特点是响应速度快（10～20ns级），吸收电流大、动作电压稳定、使用寿命长。其工作原理是：当外界干扰低于触发电压时，放电管处于截止状态；当干扰电压超出触发电压时，放电管工作在负阻区。此时电流极大，使干扰能量转移。随着干扰的减少，通过放电管的电流回落，当干扰电流低于维持电流时，放电管从低阻区回到高阻区，完成～次放电过程。