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1、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；反应极 快，在微秒级内开通、关断
2、；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。QA2、工作原理可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个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
3、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=B 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=B 1ib1=B 1p 2ib2。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
4、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说明丛关断到导通h曲极电位高于是阴极电位 控制极有足够的正向电压和电流两右敏一不可维持导通h阳极电位高于阴极电位 厶阳极电流大于维持电流两苕敏一不可从导通到羌断h阳极电位低于阴极电位 厶阳极电流木于维持电流任一衆件邮可可控硅的基本伏安特性见图2I (&IHSUIII:BH l.h 川k i C和R：5rft2Ri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JI、J2结反偏。此时 只能流过很小
5、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JI J2 胛（2） 正向特性当控制极开路，阳极上加上正向电压时（见图4），JI、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JI J2 J3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
6、区，空穴时入P2区。进入N1区的电子与由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JI、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G和;丿1斗 A A A I-o-i- p.lf ill pd fi
7、ii -JI J2 J3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到来得早，可控硅导通的 时间就早；Ug
8、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a ；在每个正半周内可控硅导通的电角度叫导 通角0。很明显，a和0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a或导通角0，改变负载上脉冲直流电压的平均值UL，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
9、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PN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
10、Bl、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 截止；当UE大于单结晶体管的峰点电压UP(UP=UD+UA)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
11、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RC充放电 电路组成的。合上电源开关S后，电源UBB经电位器RP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
12、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、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a和导通角0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
13、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。
