干貨分享！可控硅的工作原理

可控硅，作為電子領(lǐng)域中的一種重要器件，其工作原理及廣泛應(yīng)用備受關(guān)注。這種器件以其獨(dú)特的性能，在電力電子、電機(jī)驅(qū)動、自動控制等領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用。

可控硅，又被稱為硅控整流器(Silicon Controlled Rectifier，簡稱SCR)，是一種大功率電器元件，與晶閘管實(shí)質(zhì)相同。它憑借其小巧的體積、高效的性能以及長久的壽命，在自動控制系統(tǒng)中獨(dú)樹一幟。可控硅能夠作為大功率驅(qū)動器件，賦予小功率控件對大功率設(shè)備的控制能力。正因如此，它在交直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、調(diào)功系統(tǒng)以及隨動系統(tǒng)中得到了極為廣泛的應(yīng)用。

可控硅分為單向可控硅和雙向可控硅兩大類。其中，雙向可控硅，亦被稱為三端雙向可控硅或TRIAC，其結(jié)構(gòu)類似于兩個反向連接的單向可控硅，賦予了它雙向?qū)ǖ墓δ?。其通斷狀態(tài)由控制極G所決定，當(dāng)在控制極G上施加正脈沖(或負(fù)脈沖)時，可控硅將正向(或反向)導(dǎo)通。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)在于其控制電路設(shè)計簡單，且不存在反向耐壓問題，因此非常適合作為交流無觸點(diǎn)開關(guān)使用。

1、可控硅概述

可控硅，即可控硅整流器，亦被稱作晶體閘流管，簡稱晶閘管(SCR)。自1957年美國通用電器公司率先推出全球首款晶閘管產(chǎn)品，并在1958年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化以來，至今已近七十年。

可控硅，作為功率半導(dǎo)體器件的一員，兼具開關(guān)元件與整流器件的雙重特性，能在高電壓、大電流環(huán)境下穩(wěn)定工作，且其工作過程可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。憑借體積小巧、重量輕便、耐壓能力強(qiáng)、容量充足以及維護(hù)簡便、控制靈敏等諸多優(yōu)勢，可控硅在可控整流、交流調(diào)壓、無觸點(diǎn)電子開關(guān)、逆變和變頻等電子電路中大展身手。

可控硅的種類繁多，分類方式亦多樣。例如，按照其關(guān)斷、導(dǎo)通及控制方式，可控硅可分為普通單向晶閘管、雙向晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、BTG晶閘管、溫控晶閘管和光控晶閘管等。接下來，我們將聚焦于應(yīng)用廣泛的單向可控硅(SCR)和雙向可控硅(Traic)兩款產(chǎn)品進(jìn)行詳細(xì)了解。

1.1 單向可控硅

單向可控硅由PNPN四層材料精心構(gòu)造而成，內(nèi)部包含三個PN結(jié)，從而形成了三個電極：陽極A、陰極K和控制極G。其電路符號與二極管頗為相似，但功能卻大相徑庭。

單向可控硅，如其名所示，具有單向?qū)ㄌ匦?，其?dǎo)通后的行為與二極管頗為相似。然而，二者之間的關(guān)鍵區(qū)別在于可控硅多了一個名為控制極的G極。通過向控制極施加微小的觸發(fā)電流，我們可以實(shí)現(xiàn)對可控硅的精準(zhǔn)導(dǎo)通控制，且在導(dǎo)通后，它能承載大電流。

要使單向可控硅導(dǎo)通，必須同時滿足兩個條件：首先，在陽極和陰極之間施加正向電壓;其次，在控制極和陰極之間加入正向觸發(fā)電壓，并確?；芈冯娏鬟_(dá)到特定閾值。這兩個條件必須同時滿足，缺一不可。

至于如何關(guān)斷單向可控硅，有兩種主要方法：一是減小主回路電流，使其低于維持電流IH;二是切斷陽極和陰極之間的電源。只要滿足其中任一條件，可控硅即可關(guān)斷。

1.2 雙向可控硅(Traic)

雙向可控硅與單向可控硅在結(jié)構(gòu)上有所差異。盡管它們都具備三個電極：T1極、T2極和G極，但雙向可控硅的內(nèi)部構(gòu)造更為復(fù)雜，由NPNPN五層半導(dǎo)體精心組成，并包含了四個PN結(jié)。這種結(jié)構(gòu)使得雙向晶閘管在功能上類似于兩個單向晶閘管的反向并聯(lián)，然而，它僅需一個控制極G極即可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。

由于雙向可控硅具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，它能夠在兩個主極之間接受任何極性的工作電壓，并實(shí)現(xiàn)觸發(fā)控制。因此，在雙向可控硅中，主極并不區(qū)分陽極和陰極，而是通常被稱為T1極和T2極。與其他參數(shù)相似，雙向晶閘管的關(guān)斷方式也與單向晶閘管相同。

同樣地，雙向可控硅也展現(xiàn)出觸發(fā)控制特性，但這種特性與單向晶閘管有所不同。無論在雙向晶閘管的主極(T1極和T2極)之間接入何種極性的電壓，只要在控制極G極上施加一個小電流(觸發(fā)脈沖)，且該電流值超過雙向晶閘管的門極觸發(fā)電流，晶閘管便會導(dǎo)通。值得注意的是，盡管雙向可控硅的兩個主極在電流方向上具有靈活性，但觸發(fā)極(G)的方向仍然是關(guān)鍵的。觸發(fā)電流的方向是相對于T1極來定義的，這在一定程度上影響了雙向可控硅的工作特性。

在介紹完可控硅工作的幾個象限后，我們進(jìn)一步探討了其性能的改進(jìn)。上世紀(jì)80年代后，科研人員對門極結(jié)構(gòu)進(jìn)行了革新，從而屏蔽了第四象限，這一改進(jìn)顯著提升了可控硅的關(guān)鍵性能。具體來說，3Q和4Q可控硅在以下方面存在差異：

抗干擾能力得到了增強(qiáng)，這主要體現(xiàn)在可控硅的dv/dt能力上;

抗正負(fù)半周換向電流上升率的能力也得到了提升，這得益于(di/dt)c能力的增強(qiáng);

某些可控硅的結(jié)溫限制從125℃提升到了150℃，這進(jìn)一步拓寬了其應(yīng)用范圍。

接下來，我們討論了雙向可控硅的導(dǎo)通條件。首先，T1極和T2極之間必須施加正或反向電壓。其次，G極和T1極之間也需要同時施加正或反向觸發(fā)電壓，并且回路電流必須達(dá)到一定的閾值。這兩個條件必須同時滿足，才能確保雙向可控硅的導(dǎo)通。

而對于雙向可控硅的關(guān)斷方法，則相對簡單。只要減小主回路電流至維持電流IH以下，或者切斷T1極和T2極間的電源，即可實(shí)現(xiàn)其關(guān)斷。

通過上述分析，我們可以更清晰地理解雙向可控硅的工作原理和性能特點(diǎn)。

1.3可控硅的關(guān)鍵參數(shù)

以KY-韓景元BTA16型號為例，我們來探討可控硅的一些關(guān)鍵參數(shù)。這些參數(shù)對于理解可控硅的性能和應(yīng)用至關(guān)重要。

在查閱可控硅的規(guī)格書時，需特別留意紅框標(biāo)記的參數(shù)，這些參數(shù)均以“小于或等于”的形式呈現(xiàn)，但實(shí)際上在選擇時，我們應(yīng)確保所選數(shù)值大于這些限制。同時，還需關(guān)注IGT參數(shù)，它決定了觸發(fā)電流的大小，需通過Value一列進(jìn)行確認(rèn)。此外，SW\CW\BW帶W的型號表示為三象限可控硅，已屏蔽了第四象限。

接下來，我們將深入探討可控硅的工作原理。

可控硅，全稱可控硅整流器，是一種由三個PN結(jié)四層結(jié)構(gòu)硅芯片及三個電極構(gòu)成的半導(dǎo)體器件。其結(jié)構(gòu)、外形及圖形符號如圖所示。

可控硅擁有三個電極，即陽極(A)、陰極(K)以及控制極(G)。在特定條件下，這些電極的特性決定了可控硅的工作狀態(tài)。當(dāng)陽極接負(fù)電位時，PN結(jié)呈現(xiàn)反向特性，類似于二極管。若陽極上施加正電位且控制極未接電壓，器件將保持在阻抗極高的關(guān)閉狀態(tài)。然而，一旦正電壓超過某個閾值(即轉(zhuǎn)折電壓)，器件會迅速轉(zhuǎn)入低阻通導(dǎo)模式。當(dāng)陽極和陰極間的電壓低于轉(zhuǎn)折電壓時，可控硅保持關(guān)閉。但若在控制極上施加適當(dāng)正電壓(相對陰極)，可控硅可被激發(fā)而開啟。值得注意的是，一旦可控硅導(dǎo)通，其控制極便失去作用。即使撤去柵極電壓，可控硅仍保持導(dǎo)通狀態(tài)，直至電流降至某一閾值以下，或陰極與陽極間的電壓降至零或負(fù)值，器件才恢復(fù)關(guān)閉。圖3-30展示了可控硅的伏安特性曲線。

在沒有控制極信號時，可控硅的正向?qū)妷旱扔谡蜣D(zhuǎn)折電壓(UB0)。然而，當(dāng)存在控制極信號時，正向轉(zhuǎn)折電壓會降低，使得在較低的正向電壓下就能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通。這種轉(zhuǎn)折電壓的降低與控制極電流的增大成反比。一旦控制極電流達(dá)到一定水平，正向阻斷狀態(tài)將不再出現(xiàn)。

一旦可控硅導(dǎo)通，其內(nèi)阻顯著減小，導(dǎo)致管子本身的壓降非常低。此時，外加電壓幾乎全部降落在外電路負(fù)載上，從而流過較大的負(fù)載電流。這種特性與二極管的正向?qū)ㄌ匦韵嗨?。?dāng)陽極電壓減小或負(fù)載電阻增加，導(dǎo)致陽極電流低于維持電流IH時，可控硅會立即從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)為正向阻斷狀態(tài)，并返回到曲線I的狀態(tài)。

當(dāng)陽極施加反向電壓時，盡管電壓可能很高，但可控硅通常不會導(dǎo)通(僅存在微小的漏電流)。只有當(dāng)反向電壓達(dá)到擊穿電壓時，電流才會突然增加，這可能導(dǎo)致器件的損壞。因此，在正常工作時，必須確保外加電壓小于反向擊穿電壓，以確保器件的安全可靠運(yùn)行。

可控硅的獨(dú)特之處在于，僅需在控制極中通過幾毫安至幾十毫安的電流即可觸發(fā)其導(dǎo)通，并能夠通過較大的電流。這種特性使得可控硅在整流、開關(guān)、變頻、交直流轉(zhuǎn)換、電機(jī)調(diào)速、調(diào)溫、調(diào)光以及其他自動控制電路中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

接下來，我們將討論可控硅的一些關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，如正向阻斷峰值電壓、反向阻斷峰值電壓、額定正向平均電流、正向平均壓降以及維持電流等。這些參數(shù)對于理解可控硅的性能和選擇合適的器件至關(guān)重要。

6.控制極觸發(fā)電流(Ig)

當(dāng)在陽極與陰極之間施加直流6V電壓時，為使可控硅完全導(dǎo)通所必需的最小控制極直流電流。

7.控制極觸發(fā)電壓(Ug)

這是指可控硅從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)時，控制極上所需施加的最小直流電壓。

此外，可控硅在整流、開關(guān)、變頻、交直流轉(zhuǎn)換等多個領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，其獨(dú)特的導(dǎo)通與阻斷特性使得它在電路控制中發(fā)揮著不可或缺的作用。

根據(jù)結(jié)構(gòu)和用途的不同，可控硅有多種類型。除了廣泛應(yīng)用于整流的普通可控硅，還有快速可控硅，這種類型適用于高頻率和大功率直流開關(guān)等電路。此外，還有雙向可控硅，其特點(diǎn)是可以控制兩個方向電流的導(dǎo)通，常用于交流控制電路。另外，逆導(dǎo)可控硅則主要用于直流供電車輛的調(diào)速。而可關(guān)斷可控硅是一種新型可控硅，它可以在正控制極脈沖下觸發(fā)導(dǎo)通，并通過負(fù)控制極脈沖關(guān)斷陽極電流，恢復(fù)阻斷狀態(tài)，適用于無觸點(diǎn)開關(guān)、直流調(diào)壓等電路。

接下來，我們將通過兩個例子來詳細(xì)了解可控硅電路的工作過程。其中，D1～D2組成全波橋式整流電路，BG雙基極管構(gòu)成同步觸發(fā)電路。整流電壓經(jīng)過電阻R1降壓后，加在A、B兩點(diǎn)。在整流后脈動電壓的正半周，通過R4、W向電容C充電。當(dāng)充電電壓達(dá)到雙基極管峰點(diǎn)電壓UP時，BG由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通，電容C迅速放電，產(chǎn)生的放電電流在R上形成一個尖脈沖，作為觸發(fā)可控硅的觸發(fā)信號。一旦可控硅導(dǎo)通，其正向壓降變得很低，從而停止張弛振蕩器的工作。當(dāng)電源電壓過零時，可控硅自動關(guān)斷，等待下一個正半周的到來并重復(fù)上述過程。這樣，串聯(lián)于整流電路的負(fù)載RL上就得到了一個受控的脈沖電壓。通過調(diào)節(jié)電容C的充電速度，即調(diào)節(jié)W的值，可以改變可控硅的導(dǎo)通時間，進(jìn)而調(diào)節(jié)負(fù)載上的電壓大小。

展示了一種利用可控硅制作的感應(yīng)(接近)開關(guān)。該開關(guān)通過人體電容和電阻與電路中的電容C1并聯(lián)，進(jìn)而促使氖管N導(dǎo)通并點(diǎn)燃。這一過程在電阻R1上產(chǎn)生了可控硅的觸發(fā)信號，導(dǎo)致可控硅導(dǎo)通，從而點(diǎn)亮了串接在可控硅電路中的燈泡。此外，還可以在電路中串接繼電器，以控制其他電器裝置的開啟或關(guān)閉。

四、使用萬用表檢測可控硅的優(yōu)劣

判定可控硅的電極

小功率可控硅的電極可以通過外觀進(jìn)行初步判斷，通常陽極為外殼，陰極線比控制極引線更長，如圖3-29所示。若遇到其他封裝形式或電極引線不明確，可以利用萬用表的電阻檔進(jìn)行詳細(xì)判別。從可控硅的結(jié)構(gòu)圖可知，陰極與控制極間存在一個PN結(jié)，而陽極與控制極間則有兩個反向串聯(lián)的PN結(jié)。通過萬用表R×100檔，我們可以先找出控制極。具體操作是，將負(fù)表筆接觸某一電極，正表筆依次觸碰另外兩個電極，若發(fā)現(xiàn)有一次阻值較小(約幾百歐姆)，另一次阻值較大(約幾千歐姆)，則說明負(fù)表筆所接的是控制極(G)。在阻值小的那次測量中，正表筆所接的是陰極(C或K)，阻值大的那次則是陽極(A)。若兩次測量的阻值均很大，則需更換另一個電極進(jìn)行重新判別。

檢測可控硅的性能

一個性能良好的可控硅應(yīng)具備以下特點(diǎn)：①三個PN結(jié)均完好無損;②在反向電壓下能夠完全阻斷，不發(fā)生導(dǎo)通;③在控制極開路的情況下，可控硅在正向電壓下能夠保持阻斷;④當(dāng)控制極施加正向電流，且陽極施加正向電壓時，可控硅能夠?qū)?，并且在撤去控制極電流后仍能維持導(dǎo)通狀態(tài)。前三項(xiàng)性能可以通過測量極間電阻進(jìn)行判斷，而后一項(xiàng)則需要進(jìn)行實(shí)際的導(dǎo)通試驗(yàn)。在測量極間電阻時，應(yīng)使用萬用表電阻檔的最高檔位，并注意陽極與陰極之間的正向電阻和反向電阻，阻值越大表示漏電流越小，從而判斷可控硅的性能優(yōu)劣。

測控制極與陰極之間的電阻時，推薦使用R×10或R×100檔進(jìn)行測量。若正向電阻(即控制極接負(fù)筆，陰極接正筆時)極大，接近無窮大，則表示控制極與陰極之間已燒毀，可控硅損壞。而反向電阻則應(yīng)很大，但需注意，某些可控硅的控制極與陰極之間的反向電阻可能并不高，這屬于正?，F(xiàn)象。

此外，還可以通過導(dǎo)通試驗(yàn)來進(jìn)一步檢測可控硅的性能。利用萬用表的直流電流檔(如100mA檔或更大電流檔)，并外加6V直流電源，按照特定電路連接方式進(jìn)行測試。在測試過程中，首先斷開開關(guān)K，此時電流表指示應(yīng)較小(表示正向阻斷狀態(tài))。當(dāng)K閉合時，電流表應(yīng)有約100mA的讀數(shù)。若電流很小，則可能表明可控硅的正向壓降過大或已損壞。隨后斷開K，電流表指示應(yīng)基本保持不變。最后切斷6V電源并重復(fù)上述過程，若結(jié)果一致，則表示可控硅的導(dǎo)通性能良好。若沒有萬用表，也可用6.3V小燈泡代替電表進(jìn)行測試，導(dǎo)通時燈泡亮起即可。