可控硅工作原理

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1、可控硅工作原理可控硅工作原理 一种以硅单晶为基本材料的 P1N1P2N2 四层三端器件，创制于 1957 年，由于它特性类 似于真空闸流管，所以国际上通称为硅晶体闸流管，简称可控硅 T。又由于可控硅最初应 用于可控整流方面所以又称为硅可控整流元件，简称为可控硅 SCR。 在性能上，可控硅不仅具有单向导电性，而且还具有比硅整流元件（俗称“死硅”） 更为可贵的可控性。它只有导通和关断两种状态。 可控硅能以毫安级电流控制大功率的机电设备，如果超过此频率，因元件开关损耗显 著增加，允许通过的平均电流相降低，此时，标称电流应降级使用。 可控硅的优点很多，例如：以小功率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍

2、；反应 极快，在微秒级内开通、关断；无触点运行，无火花、无噪音；效率高，成本低等等。 可控硅的弱点：静态及动态的过载能力较差；容易受干扰而误导通。 可控硅从外形上分类主要有：螺栓形、平板形和平底形。 1 1、可控硅元件的结构、可控硅元件的结构 不管可控硅的外形如何，它们的管芯都是由 P 型硅和 N 型硅组成的四层 P1N1P2N2 结构。 见图 1。它有三个 PN 结（J1、J2、J3），从 J1 结构的 P1 层引出阳极 A，从 N2 层引出阴级 K，从 P2 层引出控制极 G，所以它是一种四层三端的半导体器件。2 2、 工作原理工作原理 可控硅是 P1N1P2N2 四层三端结构元件，共有三

3、个 PN 结，分析原理时，可以把它看作 由一个 PNP 管和一个 NPN 管所组成，其等效图解如图 1 所示图 1、可控硅结构示意图和符号图 当阳极 A 加上正向电压时，BG1 和 BG2 管均处于放大状态。此时，如果从控制极 G 输 入一个正向触发信号，BG2 便有基流 ib2 流过，经 BG2 放大，其集电极电流 ic2=2ib2。 因为 BG2 的集电极直接与 BG1 的基极相连，所以 ib1=ic2。此时，电流 ic2 再经 BG1 放大， 于是 BG1 的集电极电流 ic1=1ib1=12ib2。这个电流又流回到 BG2 的基极，表成正反 馈，使 ib2 不断增大，如此正向馈循环的结

4、果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。由于 BG1 和 BG2 所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极 G 的电流 消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所 以这种可控硅是不可关断的。 由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定 的条件才能转化，此条件见表 1可控硅的基本伏安特性见图 2图 2 可控硅基本伏安特性 （1）反向特性 当控制极开路，阳极加上反向电压时（见图 3），J2 结正偏，但 J1、J2 结反偏。此时 只能流过很小的反向饱和电流，当电压进一步提高到 J1 结的雪崩击穿电压后，接差 J3 结

5、也击穿，电流迅速增加，图 3 的特性开始弯曲，如特性 OR 段所示，弯曲处的电压 URO 叫 “反向转折电压”。此时，可控硅会发生永久性反向（2）正向特性 当控制极开路，阳极上加上正向电压时（见图 4），J1、J3 结正偏，但 J2 结反偏，这与普 通 PN 结的反向特性相似，也只能流过很小电流，这叫正向阻断状态，当电压增加，图 3 的 特性发生了弯曲，如特性 OA 段所示，弯曲处的是 UBO 叫：正向转折电压图 4 阳极加正向电压 由于电压升高到 J2 结的雪崩击穿电压后，J2 结发生雪崩倍增效应，在结区产生大量 的电子和空穴，电子时入 N1 区，空穴时入 P2 区。进入 N1 区的电子与由

6、 P1 区通过 J1 结注 入 N1 区的空穴复合，同样，进入 P2 区的空穴与由 N2 区通过 J3 结注入 P2 区的电子复合， 雪崩击穿，进入 N1 区的电子与进入 P2 区的空穴各自不能全部复合掉，这样，在 N1 区就有 电子积累，在 P2 区就有空穴积累，结果使 P2 区的电位升高，N1 区的电位下降，J2 结变成 正偏，只要电流稍增加，电压便迅速下降，出现所谓负阻特性，见图 3 的虚线 AB 段。 这时 J1、J2、J3 三个结均处于正偏，可控硅便进入正向导电状态-通态，此时，它的特 性与普通的 PN 结正向特性相似，见图 2 中的 BC 段 2、 触发导通图 5 阳极和控制极均加

7、正向电压 3 3、可控硅在电路中的主要用途是什么、可控硅在电路中的主要用途是什么? ?普通可控硅最基本的用途就是可控整流。大家熟悉的二极管整流电路属于不可控整 流电路。如果把二极管换成可控硅，就可以构成可控整流电路。现在我画一个最简单的单 相半波可控整流电路图 4(a)。在正弦交流电压 U2 的正半周期间，如果 VS 的控制极没 有输入触发脉冲 Ug，VS 仍然不能导通，只有在 U2 处于正半周，在控制极外加触发脉冲 Ug 时，可控硅被触发导通。现在，画出它的波形图图 4(c)及(d)，可以看到，只有在触 发脉冲 Ug 到来时，负载 RL 上才有电压 UL 输出(波形图上阴影部分)。Ug 到来

8、得早，可控 硅导通的时间就早；Ug 到来得晚，可控硅导通的时间就晚。通过改变控制极上触发脉冲 Ug 到来的时间，就可以调节负载上输出电压的平均值 UL(阴影部分的面积大小)。在电工技术 中，常把交流电的半个周期定为 180，称为电角度。这样，在 U2 的每个正半周，从零值 开始到触发脉冲到来瞬间所经历的电角度称为控制角 ；在每个正半周内可控硅导通的电 角度叫导通角 。很明显， 和 都是用来表示可控硅在承受正向电压的半个周期的导 通或阻断范围的。通过改变控制角 或导通角 ，改变负载上脉冲直流电压的平均值 UL，实现了可控整流。 4 4、 在桥式整流电路中，把二极管都换成可控硅是不是就成了可控整流

9、电路了呢在桥式整流电路中，把二极管都换成可控硅是不是就成了可控整流电路了呢? ?在桥式整流电路中，只需要把两个二极管换成可控硅就能构成全波可控整流电路了。 现在画出电路图和波形图(图 5)，就能看明白了 5 5、可控硅控制极所需的触发脉冲是怎么产生的呢、可控硅控制极所需的触发脉冲是怎么产生的呢? ?可控硅触发电路的形式很多，常用的有阻容移相桥触发电路、单结晶体管触发电路、 晶体三极管触发电路、利用小可控硅触发大可控硅的触发电路，等等。 6 6、什么是单结晶体管、什么是单结晶体管? ?它有什么特殊性能呢它有什么特殊性能呢? ?单结晶体管又叫双基极二极管，是由一个 PN 结和三个电极构成的半导体器

10、件(图 6)。 我们先画出它的结构示意图图 7(a)。在一块 N 型硅片两端，制作两个电极，分别叫做 第一基极 B1 和第二基极 B2；硅片的另一侧靠近 B2 处制作了一个 PN 结，相当于一只二极 管，在 P 区引出的电极叫发射极 E。为了分析方便，可以把 B1、B2 之间的 N 型区域等效为 一个纯电阻 RBB，称为基区电阻，并可看作是两个电阻 RB2、RB1 的串联图 7(b)。值得 注意的是 RB1 的阻值会随发射极电流 IE 的变化而改变，具有可变电阻的特性。如果在两个 基极 B2、B1 之间加上一个直流电压 UBB，则 A 点的电压 UA 为：若发射极电压 UEUA，二极 管 VD

11、 截止；当 UE 大于单结晶体管的峰点电压 UP(UP=UDUA)时，二极管 VD 导通，发射极 电流 IE 注入 RB1，使 RB1 的阻值急剧变小，E 点电位 UE 随之下降，出现了 IE 增大 UE 反而 降低的现象，称为负阻效应。发射极电流 IE 继续增加，发射极电压 UE 不断下降，当 UE 下 降到谷点电压 UV 以下时，单结晶体管就进入截止状态。 7 7、怎样利用单结晶体管组成可控硅触发电路呢、怎样利用单结晶体管组成可控硅触发电路呢? ?我们单独画出单结晶体管张弛振荡器的电路(图 8)。它是由单结晶体管和 RC 充放电 电路组成的。合上电源开关 S 后，电源 UBB 经电位器 R

12、P 向电容器 C 充电，电容器上的电压 UC 按指数规律上升。当 UC 上升到单结晶体管的峰点电压 UP 时，单结晶体管突然导通，基 区电阻 RB1 急剧减小，电容器 C 通过 PN 结向电阻 R1 迅速放电，使 R1 两端电压 Ug 发生一 个正跳变，形成陡峭的脉冲前沿图 8(b)。随着电容器 C 的放电，UE 按指数规律下降， 直到低于谷点电压 UV 时单结晶体管截止。这样，在 R1 两端输出的是尖顶触发脉冲。此时，电源 UBB 又开始给电容器 C 充电，进入第二个充放电过程。这样周而复始，电路中进行着 周期性的振荡。调节 RP 可以改变振荡周期 8 8、在可控整流电路的波形图中，发现可控

13、硅承受正向电压的每半个周期内，发出第一个触、在可控整流电路的波形图中，发现可控硅承受正向电压的每半个周期内，发出第一个触 发脉冲的时刻都相同，也就是控制角发脉冲的时刻都相同，也就是控制角 和导通角和导通角 都相等，那么，单结晶体管张弛振荡都相等，那么，单结晶体管张弛振荡 器怎样才能与交流电源准确地配合以实现有效的控制呢器怎样才能与交流电源准确地配合以实现有效的控制呢? ?为了实现整流电路输出电压“可控”，必须使可控硅承受正向电压的每半个周期内， 触发电路发出第一个触发脉冲的时刻都相同，这种相互配合的工作方式，称为触发脉冲与 电源同步。 怎样才能做到同步呢?大家再看调压器的电路图(图 1)。请注

14、意，在这里单结 晶体管张弛振荡器的电源是取自桥式整流电路输出的全波脉冲直流电压。在可控硅没有导 通时，张弛振荡器的电容器 C 被电源充电，UC 按指数规律上升到峰点电压 UP 时，单结晶 体管 VT 导通，在 VS 导通期间，负载 RL 上有交流电压和电流，与此同时，导通的 VS 两端 电压降很小，迫使张弛振荡器停止工作。当交流电压过零瞬间，可控硅 VS 被迫关断，张弛 振荡器得电，又开始给电容器 C 充电，重复以上过程。这样，每次交流电压过零后，张弛 振荡器发出第一个触发脉冲的时刻都相同，这个时刻取决于 RP 的阻值和 C 的电容量。调节 RP 的阻值，就可以改变电容器 C 的充电时间，也就改变了第一个 Ug 发出的时刻，相应地 改变了可控硅的控制角，使负载 RL 上输出电压的平均值发生变化，达到调压的目的。 双向可控硅的 T1 和 T2 不能互换。否则会损坏管子和相关的控制电路。