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1、几种可控硅的触发电路 张浩然 (中国兵器工业第214研究所 蚌埠 233042) 摘 要 对可控硅的基本原理进行了阐述并例举了几种典型应用。 关键词 可控硅 触发电路 1 引 言 可控硅在自动控制,机电领域,工业电气及家 电等方面都有广泛的应用。可控硅是一种有源开 关元件,平时它保持在非导通状态,直到由一个较 小的控制信号对其触发或称“点火“使其导通,一 旦被点火就算撤离触发信号它也保持导通状态, 要使其截止可在其阳极与阴极间加上反向电压或 将流过可控硅的电流减少到某一个值以下。 2 基本原理 可控硅是三端器件,它有J1、J2、J3三个PN 结构成,如图1所示。可以把它中间的PN结分 成两部分
2、,构成一个PNP型三极管和一个NPN型 三极管的复合管,如图2所示。当可控硅承受正 向阳极电压时,为使可控硅导通,必须使承受反向 电压的PN结J2失去阻挡作用。图2中每个晶体 管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电 流,因此,两个互相复合的晶体管电路,当有足够 的栅极电流Ig流入时,就会形成强烈的正反馈, 造成两晶体管饱和导通。设PNP管和NPN管的 集电极电流相应为Ic1和Ic2;发射极电流相应为Ia 和Ik;电流放大系数相应为a1 = Ic1/ Ia和a2 = Ic2/ Ik,设流过J2结的反相漏电电流为Ic0,可控硅的 阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总 和: Ia= Ic1+
3、 Ic2+ Ic0或Ia= a1 Ia+ a2 Ik+ Ic0 若栅极电流为Ig,则可控硅阴极电流为Ik= Ia+ Ig。从而可以得出可控硅阳极电流为: I= ( Ic0+ Iga2) / (1 - (a1 + a2) ) (1) 硅PNP管和硅NPN管相应的电流放大系数a1 和a2随其发射极电流的改变而急剧变化如图3示。 图1 可控硅原理图 图2 可控硅原理图 当可控硅承受正向阳极电压,而栅极未受电 压的情况下,式(1)中, Ig=0, (a1 + a2)很小,阳极 电流IaIc0可控硅处于正向阻断状态。在正向阳 极电压下,从栅极G流入电流Ig,由于足够大的 Ig流经NPN管的发射结,从而提
4、高其电流放大系 数a2,产生足够大的集电极电流Ic2流过PNP管 的发射结,并提高了PNP管的电流放大系数a1, 第25卷第3期 2007年9月 集成电路通讯 J ICH ENGD IANLU TONGXUN Vol . 25 No. 3 Sep. 2007 产生更大的集电极电流Ic1流经NPN管的发射 结。这样强烈的正反馈过程迅速进行。a2随发 射极电流增加而(a1 + a2)1时,式(1)中的分母 1 - (a1 + a2)0,因此提高了可控硅的阳极电流 Ia,这时流过可控硅的电流完全由主回路的电压 和回路电阻决定。可控硅已处于正向导通状态。 图3 电流放大系数随发射极电流的变化 式(1)
5、中,在可控硅导通后, 1 - (a1 + a2) 0,即使此时栅极电流Ig = 0,可控硅仍能保持原 来的阳极电流Ia而继续导通,栅极已失去作用。 如果不断地减小电源电压或增大回路电阻,使阳 极电流Ia减小到维持电流IH以下时,由于a1和 a2迅速下降,当1 - (a1 + a2)1时,可控硅恢复 阻断状态。 3 典型应用 可控硅在实际应用中的栅极触发回路有多种 形式,概括起来有直流触发电路,交流触发电路, 相位触发电路等。 直流触发电路:如图4是一个电视机常用的 过压保护电路,当E +电压过高时A点电压也变 高,当它高于稳压管DZ的稳压值时DZ导通,可 控硅D受触发而导通将E +短路,使保险
6、丝RJ熔 断,从而起到过压保护的作用。 相位触发电路:相位触发电路实际上是交流 触发电路的一种,如图5,这个电路是利用RC回 路控制触发信号的相位。当R值较小时, RC时 间常数较小,触发信号的相移较小,因此负载获得 较大的电功率;当R值较大时, RC时间常数较 大,触发信号的相移较大,因此负载获得较小的电 功率。这个典型的电功率无级调整电路在日常生 活中有很多电气产品中都应用它。 图4 直流触发电路 图5 相位触发电路 4 实际应用 要满足需要的性能,选择适合特定应用的可 控硅非常重要。可控硅分成两大系列:敏感栅可 控硅以及标准器件。敏感栅可控硅的最小栅极触 发电流大约为几十微安,而标准可控
7、硅的栅极触 发电流则达到了几毫安的范围。然而栅极敏感度 的提高也会带来损失,即降低了抗dv/dt变化的 能力。可控硅以及双向可控硅非常容易地为加到 端口上高的dv/dt所触发,并通过器件上的寄生 电容将电荷耦合到栅极上。敏感栅可控硅可以经 受阳极阴极之间大约10V /us的dv/dt变化,而标 准可控硅则可以经受更高的dv/dt变化,通常高 达400V /s。 我们在某引信电路中选用标准快速小电流可 控硅来控制火工品的起爆。如图6电路主要是由 555定时器和可控硅级联而成。555定时器控制 83 集成电路通讯 第25卷第3期 可控硅的导通和关断时间, C1为耦合电容, C2为 储能电容。在可控
8、硅导通期间储能器件释放能量 使引信火工品起爆。我们在设计过程中发现可控 硅在导通后不能够即刻关断。在对可控硅的维持 电流测试后,发现它的维持电流很小,只有几个毫 安。可控硅关断的一个必要条件是:流过阳极和 阴极的充电电流必须要小于维持电流。可控硅的 栅极触发电压对维持电流有影响,减小栅极的下 拉电阻,可以增大可控硅的维持电流。而增大阳 极限流电阻,可以减小可控硅的充电电流,当可控 硅的充电电流小于其维持电流时,可控硅在导通 后能够即刻关断。另外可控硅的维持电流在高温 时变小,低温时变大,在参数设计时要充分考虑到 高温温漂的问题,应多留余量。 图6 引信延时电路 5 结 语 前述可以看到可控硅使
9、得控制的实现更加方 便、 灵活。但它也存在一些弱点,如:导通电阻大 (几-几十 ) , 易发热损坏;截止时存在漏电 流,不能使电路完全断开;易受温度和辐射的影 响,稳定性差;灵敏度高,易产生误动作。因此,对 于可控硅具有的独特性能,必须正确的理解和谨 慎使用,方能发挥其独特的性能,并确保无故障的 工作。 参考文献 1 陈柏超新型可控饱和电抗器理论及应 用 武汉水利电力大学出版社1999 2 潘新民 微型计算机控制技术 电子工 业出版社2003. 3 国内首创低成本纯度99. 9999%多晶硅 日前由上海技术物理所自主研发的物理提纯法,经河南立迅天宇科技有限公司生产出99. 9999% 以上纯度的太阳能电池硅产品,电耗和水耗分别只有“ 西门子化学法 ” 的1 /3和1 /10,生产成本仅是国 外的1 /6。目前,世界上普遍采用德国“ 西门子化学法 ” 提纯,纯度虽高,但能耗大,也不环保。中科院上 海技术物理所高文秀等组成团队发明了一种“ 物理法 ” 进行提纯,纯度也达4N以上,一举打破技术垄 断。部分样品经日本方面测定,纯度高达5N至6N。 集成电路通讯 编辑部摘 93 第25卷第3期 集成电路通讯
