可控硅工作原理

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1、可控硅工作原理 一种以硅单晶为基本材料的 P 1 N 1 P 2 N 2 四层三端器件， 创制于 1 9 5 7 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 S C R 。 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

2、大倍数高达几十万倍；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 、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 P 1 N 1 P 2 N 2 结构。 见图 1 。它有三个 P N 结（J 1 、J 2 、J 3 ），从 J 1 结构的 P 1 层引出阳极 A ，从 N 2 层引出阴级 K ，从 P 2 层引出控制极 G ，所以它是一种四层三端的半导体器件。2 、 工作原理 可控硅是 P 1

3、N 1 P 2 N 2 四层三端结构元件，共有三个 P N 结，分析原理时，可以把它看作由 一个 P N P 管和一个 N P N 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，B G 1 和 B G 2 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，B G 2 便有基流 i b 2 流过，经 B G 2 放大，其集电极电流 i c 2 = 2 i b 2 。因为 B G 2 的集电极直接与 B G 1 的基极相连，所以 i b 1 = i c 2 。此时，电流 i c 2 再经 B G 1 放大，于是 B G 1 的集电

4、极电流 i c 1 = 1 i b 1 = 1 2 i b 2 。这个电流又流回到 B G 2 的基极，表成正反馈，使 i b 2 不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。 由于 B G 1 和 B G 2 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

5、控制极开路，阳极加上反向电压时（见图 3 ），J 2 结正偏，但 J 1 、J 2 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 J 1 结的雪崩击穿电压后， 接差 J 3 结也 击穿，电流迅速增加，图 3 的特性开始弯曲，如特性 O R 段所示，弯曲处的电压 U R O 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 ），J 1 、J 3 结正偏，但 J 2 结反偏，这与普 通 P N 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 O A 段所示，弯曲处的

6、是 U B O 叫：正向转折电压图 4阳极加正向电压 由于电压升高到 J 2 结的雪崩击穿电压后，J 2 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 N 1 区，空穴时入 P 2 区。进入 N 1 区的电子与由 P 1 区通过 J 1 结注入 N 1 区的空穴复合，同样，进入 P 2 区的空穴与由 N 2 区通过 J 3 结注入 P 2 区的电子复合，雪 崩击穿，进入 N 1 区的电子与进入 P 2 区的空穴各自不能全部复合掉，这样，在 N 1 区就有电 子积累，在 P 2 区就有空穴积累，结果使 P 2 区的电位升高，N 1 区的电位下降，J 2 结变成正 偏，只要电流稍增加

7、，电压便迅速下降，出现所谓负阻特性，见图 3 的虚线 A B 段。 这时 J 1 、J 2 、J 3 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 P N 结正向特性相似，见图 2 中的 B C 段 2 、 触发导通图 5阳极和控制极均加正向电压 3 、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 U 2 的正半周期间，如果 V S 的控制极没有输 入触发脉

8、冲 U g ，V S 仍然不能导通，只有在 U 2 处于正半周，在控制极外加触发脉冲 U g 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 U g 到来时，负载 R L 上才有电压 U L 输出( 波形图上阴影部分) 。U g 到来得早，可控硅导通的 时间就早；U g 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 U g 到来的时 间，就可以调节负载上输出电压的平均值 U L ( 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 1 8 0 ，称为电角度。这样，在 U 2 的每个正半周，从零值开始到触 发脉

9、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 U L ，实现了可控 整流。 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 、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

10、发电路、利用小可控硅触发大可控硅的触发电路，等等。 6 、什么是单结晶体管? 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 P N 结和三个电极构成的半导体器件( 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 B 1 和第二基极 B 2 ； 硅片的另一侧靠近 B 2 处制作了一个 P N 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 B 1 、B 2 之间的 N 型区域等效为一个 纯电阻 R B B ，称为基区电阻，并可看作是两个电阻 R B 2 、R B 1 的串联

11、图 7 ( b ) 。值得注意 的是 R B 1 的阻值会随发射极电流 I E 的变化而改变，具有可变电阻的特性。如果在两个基极 B 2 、B 1 之间加上一个直流电压 U B B ，则 A 点的电压 U A 为：若发射极电压 U E U A ，二极管 V D 截止；当 U E 大于单结晶体管的峰点电压 U P ( U P = U D U A ) 时，二极管 V D 导通，发射极电流 I E 注入 R B 1 ，使 R B 1 的阻值急剧变小，E 点电位 U E 随之下降，出现了 I E 增大 U E 反而降低的现 象，称为负阻效应。发射极电流 I E 继续增加，发射极电压 U E 不断下降，

12、当 U E 下降到谷点 电压 U V 以下时，单结晶体管就进入截止状态。 7 、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 R C 充放电 电路组成的。合上电源开关 S 后，电源 U B B 经电位器 R P 向电容器 C 充电，电容器上的电压 U C 按指数规律上升。当 U C 上升到单结晶体管的峰点电压 U P 时，单结晶体管突然导通，基 区电阻 R B 1 急剧减小， 电容器 C 通过 P N 结向电阻 R 1 迅速放电， 使 R 1 两端电压 U g 发生一个 正跳变，形成陡峭的脉冲前沿图 8 ( b ) 。随着

13、电容器 C 的放电，U E 按指数规律下降，直 到低于谷点电压 U V 时单结晶体管截止。这样，在 R 1 两端输出的是尖顶触发脉冲。此时，电源 U B B 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 R P 可以改变振荡周期 8 、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 和导通角 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? 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

14、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，U C 按指数规律上升到峰点电压 U P 时，单结晶体管 V T 导通，在 V S 导通期间，负载 R L 上有交流电压和电流，与此同时，导通的 V S 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 V S 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 R P 的阻值和 C 的电容量。调节 R P 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 U g 发出的时刻，相应地改变了可控硅 的控制角，使负载 R L 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 T 1 和 T 2 不能互换。否则会损坏管子和相关的控制电路。