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可控硅工作原理及参数详解

2019-12-11  TangMouXi...

可控硅全称“可控硅整流元件”(Silicon Controlled Rectifier),简写为SCR,别名晶体闸流管(Thyristor),是一种具有三个PN结、四层结构的大功率半导体器件。可控硅体积小、结构简单、功能强,可起到变频、整流、逆变、无触点开关等多种作用,因此现已被广泛应用于各种电子产品中,如调光灯、摄像机、无线电遥控、组合音响等。

其原理图符号如下图所示:

 

 

从可控硅的电路符号可以看到,它和二极管一样是一种单方向导电的器件,只是多了一个控制极G,正是它使得可控硅具有与二极管完全不同的工作特性。可控硅是可以处理耐高压、大电流的大功率器件,随着设计技术和制造技术的进步,越来越大容量化 。

可控硅的基本结构如下图所示:

 

 三个PN结(J1、J2、J3)组成4层P1-N1-P2-N2结构的半导体器件对外有三个电极,由最外层P型半导体材料引出的电极作为阳极A,由中间的P型半导体材料引出的电极称为控制极G,由最外层的N型半导体材料引出的电极称为阴极K,它可以等效成如图所示的两只三极管电路。

下面我们来看看可控硅的工作原理:

如下图所示,初始状态下,电压VAK施加到可控硅的A、K两个端,此时三极管Q1与Q2都处于截止状态,两者地盘互不侵犯。

 

 

此时VAK电压全部施加到A、K两极之间,这个允许施加的最大电压VAK断态重复峰值电压VDRM(Peak Repetitive  Off-State Voltage,相应的有断态重复峰值电流IDRM(Peak Repetitive Off-State Current

 

如下图所示,电压VGK施加到G、K两极后,Q2的发射结因正向偏置而使其导通,从而产生了基极电流IB2,此时Q2尚处于截止状态,可控硅阳极电流IA为0,Q1的基极电流IB1也为0,电阻R2上也没有压降,因此Q2的集电极-发射电压VCE2为VAK,这个电压值通常远大于VBE2,即使是在测试数据手册中的参数时,VAK也至少有6V,实际应用时VAK会有几百伏,因此,三极管Q2的发射结正偏、集电结反偏,开始处于放大状态。

 

只有在G、K加上正向电压后,才可以触发可控硅的导通,这个触发电压的最小值称为门极触发电压VGT(Gate Trigger Voltage,这个值就是一个PN结的结电压(不是电池电压VGK),此时流过控制极的电流称为门极触发电流IGT(Gate Trigger Voltage

 

 

刚刚进入放大状态(微导通)的三极管Q2将基极电流IB2进行放大,相应集电极的电流为IC2,其值为(IB2×β2),尽管放大了β2倍,但此时的IC2还比较小,因此IA与IB1也比较小(但是已经不为0了),电阻R2中也有微小电流,可以看成一个完整的电流回路,但此时的Q2的集电极-发射极压降仍然很大。

 

与此同时,三极管Q1的发射极一直是VAK(最高电压),集电极一直是较低的电压(VBE2),只要基极设置合适的电压,就可以进入放大状态,所以一直卧薪尝胆、蛰伏待机。Q2集电极电流IC2的出现,使得三极管Q1有机可乘。

处于微导通状态的三极管Q2形成的回路使三极管Q1基极所欠缺的电压一步到位,时机终于成熟了,三极管Q1也因此刚刚进入放大状态(微导通)!由于IB1与IC2是相同的,IB1经Q1放大后,其集电极电流IC1=(IB2×β2×β1),这个电流值又比IC2增大了β1倍。

 

三极管Q1放大后的集电极电流IC1无处可逃,只好往Q2的基极去钻(不会跑到电阻R1这边来,因为电压VGK肯定比VBE2要高,水往低处走),IC1就变成了IB2,三极管Q2的基极电流IB2被替换成了(IB2×β2×β1),比原来增加了(β2×β1)倍。

所谓人多好办事,这个更大的基极电流IB2第二次被三极管Q2放大,此时的IC2就是(IB2×β2×β1×β2),然后又重复被两个三极管交互进行正反馈放大,周而复始。

在这个过程中,三极管Q2的集电极-发射极压降越来越小,阳极电流IA的电流也越来越大,最终Q2饱和了(Q1也不甘示弱,节奏妥妥地跟上),最后就成为下图所示的:

 

当Q1与Q2充分导通后(可控硅导通),A、K两极之间的压降很小,其实就是Q1发射结电压VBE1 + Q2集电极-发射极饱和电压VCE2,这个电压称为正向通态电压VTM(Forward On-State Voltage

 

可以看到,VAK的电压值最终全部加到电阻R2上面,整个过程就是由电压VGK引发的“血案”,原来R2电阻上没有任何压降,VGK电压触发可控硅后,VAK电压就全部加在电阻R2上面了。

 

可控硅完全导通后,流过A、K两极的电流即为通态电流IT(On-State Current,实际应用时,VAK通常是交流电压(如220VAC),因此常将此参数标记为通态平均电流IT(RMS,指可控硅元件可以连续通过的工频正弦半波电流(在一个周期内)的平均值,而此时流过G、K两极的电流即为门极电流IG(Gate Current),这个门极控制电流不应超过门极最大峰值电流IGM(Forward Peak Gate Voltage

当VAK是交流电源的负半周时,可控硅因为A、K两极加反向电压而阻断,此时允许施加的最大电压称为反向重复峰值电压VRRM(Peak Repetitive Reverse Blocking Voltage,由于可控硅阻断时的电阻不是无穷大,此时的电流称之为反向重复峰值电流IRRM(Peak Repetitive Reverse Blocking Current)。

 

这两个值与之前介绍的IDRM、VDRM是一样的,只不过IDRM、VDRM是在控制G极断开、可控硅阻断状态下测量的,而IRRM、VRRM是在可控硅A、K极接反向电压下测量的。

 

如果在可控硅阳极A与阴极K间加上反向电压时,开始可控硅处于反向阻断状态,只有很小的反向漏电流流过。当反向电压增大到某一数值时,反向漏电流急剧增大,这时,所对应的电压称为反向不重复峰值电压VRSM(Peak Non-Repetitive Surge Voltage

 

 

上面我们只是把R2(与R1)作为象征性的限流电阻,其实R2完全可以是负载,如电灯泡,如下图所示:

 

当G、K两极没有加正向电压时,A、K之间相当于是断开的,灯泡不亮

 

当G、K加上正向电压后,A、K之间相当于短路,所以VAK电压全部加在电灯泡上使其发光。

 

由地盘之争引发的“血案”就此完结!

 

但是还有下文哦!

 

如果在A、K之间充分导通后,我们拿掉电压VGK企图让灯泡熄灭,如下所示:

 

 

 

很遗憾,没有成功,灯泡还是一往无前地发射出嘲笑我们的刺眼光芒,因为这个时候VGK已经没有利用价值了,尽管没有VGK,可控硅内部还是会有三极管电流正反馈维持可控硅的继续导通。

 

在门极G开路时,要保持可控硅能处于导通状态所必须的最小正向电流,称为维持电流IH(Holding current。还有一个擎住电流IL(Latch current,是可控硅刚从断态转入通态并移除G极触发信号后,能维持导通所需的最小电流。对于同一可控硅,通常IL约为IH的数倍。

导演,我没看懂这两者有什么区别!其实这与数字电路中的电平是相似的,如下图所示:

 

如果一个低电平要让另一方认为是高电平,那必须要超过VOH(上图的4.5V),一旦这个低电平变成了高电平,继续让另一方认为是高电平,只需要不低于VIH(上图的3.5V)即可,维持这个高电平的代价显示更低一些。

 

那么有什么办法让电灯泡灭呢?

 

有一种办法很明显,就是使电流IA下降到不足以维持内部正反馈过程,可控硅自然就阻断了,灯泡也会随之熄灭,也就是把VAK电压降下来。这个地球人都知道,你VAK虽然是大BOSS,但让我为你开路总得留下点买路钱吧!只要降低电压VAK让IA小于IH,那么可控硅就断开了(或在A、K两极加反向电压,其实这与降低电压VAK是一个道理)。

 

但问题是,大多数时候VAK的电压不会那么容易(主动)下降,我帮主当得好好的,凭什么让我下台?老子有的是钱!

狡兔死,走狗烹,电压VGK深谙其中道理,也早早从“门极关断可控硅”手中重金买下简单的办法让灯泡熄灭。你丫的,我给你立下汗马功劳不让我当帮主,只有拆你的台了。如下图所示:

 

 

将电压VGK反向接入G、K两极后,想让三极管Q2截止继而让可控硅进入阻断状态,但还是无法成功,因为可控硅导通后处于深度饱和状态,就算加反向电压也是无效的。

如果反向电压增大到某一数值时,反向漏电流急剧增大,此时所对应的电压称为反向门极峰值电压IGM(Reverse Peak Gate Voltage,使用时不应超过此值。

 

上面我们讨论的是常用的P型门极、阴极端受控的可控硅,还有一种不常用的N型门极、阳极端受控的可控硅,其原理图符号如下图所示,两者的原理是完全一样的,读者可自行分析一下。

 

 

下图的典型可控硅应用电路,可以用来调节灯泡的亮度。电路输入的220V交流电压经桥式整流后得到脉冲直流电压VP,此时可控硅VT为阻断状态,电路是不导通的;

 

随着脉冲直流电压VP通过可调电阻RP1、R1对电容C1进行充电,当电容C1上的电压足以触发可控硅VT时,可控硅导通后负载回路畅通,从而使电灯泡点亮,如下图所示:

 

 

调节可调电位器RP1即可控制电容C1的充电速度(充电常数越大充电速度越慢),这样施加在灯泡上的交流电压的平均值就可以随之调整,从而调节电灯泡的高度。

 

 

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