可控硅基礎(chǔ)知識(shí)詳細(xì)圖解

可控硅（Silicon Controlled Rectifier） 簡稱SCR，是一種大功率電器元件，也稱晶閘管。它具有體積小、效率高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，可作為大功率驅(qū)動(dòng)器件，實(shí)現(xiàn)用小功率控件控制大功率設(shè)備。它在交直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、調(diào)功系統(tǒng)及隨動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

可控硅分單向可控硅和雙向可控硅兩種。雙向可控硅也叫三端雙向可控硅，簡稱TRIAC。雙向可控硅在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于兩個(gè)單向可控硅反向連接，這種可控硅具有雙向?qū)üδ堋Ｆ渫〝酄顟B(tài)由控制極G決定。在控制極G上加正脈沖（或負(fù)脈沖）可使其正向（或反向）導(dǎo)通。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是控制電路簡單，沒有反向耐壓問題，因此特別適合做交流無觸點(diǎn)開關(guān)使用。

結(jié)構(gòu)

大家使用的是單向晶閘管，也就是人們常說的普通晶閘管，它是由四層半導(dǎo)體材料組成的，有三個(gè)PN結(jié)，對(duì)外有三個(gè)電極〔圖2（a）〕：第一層P型半導(dǎo)體引出的電極叫陽極A，第三層P型半導(dǎo)體引出的電極叫控制極G，第四層N型半導(dǎo)體引出的電極叫陰極K。從晶閘管的電路符號(hào)〔圖2（b）〕可以看到，它和二極管一樣是一種單方向?qū)щ姷钠骷P(guān)鍵是多了一個(gè)控制極G，這就使它具有與二極管完全不同的工作特性。

以硅單晶為基本材料的P1N1P2N2四層三端器件，起始于1957年，因?yàn)樗奶匦灶愃朴谡婵臻l流管，所以國際上通稱為硅晶體閘流管，簡稱晶閘管T，又因?yàn)榫чl管最初的在靜止整流方面，所以又被稱之為硅可控整流元件，簡稱為可控硅SCR。

在性能上，可控硅不僅具有單向?qū)щ娦裕疫€具有比硅整流元件（俗稱“死硅”）更為可貴的可控性。它只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)。

可控硅能以毫安級(jí)電流控制大功率的機(jī)電設(shè)備，如果超過此功率，因元件開關(guān)損耗顯著增加，允許通過的平均電流相降低，此時(shí)，標(biāo)稱電流應(yīng)降級(jí)使用。

可控硅的優(yōu)點(diǎn)很多，例如：以小功率控制大功率，功率放大倍數(shù)高達(dá)幾十萬倍；反應(yīng)極快，在微秒級(jí)內(nèi)開通、關(guān)斷；無觸點(diǎn)運(yùn)行，無火花、無噪音；效率高，成本低等等。

可控硅的弱點(diǎn)：靜態(tài)及動(dòng)態(tài)的過載能力較差；容易受干擾而誤導(dǎo)通。

可控硅從外形上分類主要有：螺栓形、平板形和平底形。

可控硅元件的結(jié)構(gòu)

不管可控硅的外形如何，它們的管芯都是由P型硅和N型硅組成的四層P1N1P2N2結(jié)構(gòu)。見圖1。它有三個(gè)PN結(jié)（J1、J2、J3），從J1結(jié)構(gòu)的P1層引出陽極A，從N2層引出陰級(jí)K，從P2層引出控制極G，所以它是一種四層三端的半導(dǎo)體器件。

工作原理

結(jié)構(gòu)原件

可控硅是P1N1P2N2四層三端結(jié)構(gòu)元件，共有三個(gè)PN結(jié)，分析原理時(shí)，可以把它看作由一個(gè)PNP管和一個(gè)NPN管所組成，其等效圖解如右圖所示。雙向可控硅：雙向可控硅是一種硅可控整流器件，也稱作雙向晶閘管。這種器件在電路中能夠?qū)崿F(xiàn)交流電的無觸點(diǎn)控制，以小電流控制大電流，具有無火花、動(dòng)作快、壽命長、可靠性高以及簡化電路結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。從外表上看，雙向可控硅和普通可控硅很相似，也有三個(gè)電極。

但是，它除了其中一個(gè)電極G仍叫做控制極外，另外兩個(gè)電極通常卻不再叫做陽極和陰極，而統(tǒng)稱為主電極Tl和T2。它的符號(hào)也和普通可控硅不同，是把兩個(gè)可控硅反接在一起畫成的，如圖2所示。它的型號(hào)，在我國一般用“3CTS”或“KS”表示；國外的資料也有用“TRIAC”來表示的。雙向可控硅的規(guī)格、型號(hào)、外形以及電極引腳排列依生產(chǎn)廠家不同而有所不同，但其電極引腳多數(shù)是按T1、T2、G的顧序從左至右排列（觀察時(shí)，電極引腳向下，面對(duì)標(biāo)有字符的一面）。市場上最常見的幾種塑封外形結(jié)構(gòu)雙向可控硅的外形及電極引腳排列如下圖1所示。

晶閘管特性

為了能夠直觀地認(rèn)識(shí)晶閘管的工作特性，大家先看這塊示教板（圖3）。晶閘管VS與小燈泡EL串聯(lián)起來，通過開關(guān)S接在直流電源上。注意陽極A是接電源的正極，陰極K接電源的負(fù)極，控制極G通過按鈕開關(guān)SB接在1.5V直流電源的正極（這里使用的是KP1型晶閘管，若采用KP5型，應(yīng)接在3V直流電源的正極）。晶閘管與電源的這種連接方式叫做正向連接，也就是說，給晶閘管陽極和控制極所加的都是正向電壓。合上電源開關(guān)S，小燈泡不亮，說明晶閘管沒有導(dǎo)通；再按一下按鈕開關(guān)SB，給控制極輸入一個(gè)觸發(fā)電壓，小燈泡亮了，說明晶閘管導(dǎo)通了。這個(gè)演示實(shí)驗(yàn)給了我們什么啟發(fā)呢？

這個(gè)實(shí)驗(yàn)告訴我們，要使晶閘管導(dǎo)通，一是在它的陽極A與陰極K之間外加正向電壓，二是在它的控制極G與陰極K之間輸入一個(gè)正向觸發(fā)電壓。晶閘管導(dǎo)通后，松開按鈕開關(guān)，去掉觸發(fā)電壓，仍然維持導(dǎo)通狀態(tài)。

晶閘管特點(diǎn)

“一觸即發(fā)”。但是，如果陽極或控制極外加的是反向電壓，晶閘管就不能導(dǎo)通。控制極的作用是通過外加正向觸發(fā)脈沖使晶閘管導(dǎo)通，卻不能使它關(guān)斷。那么，用什么方法才能使導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷呢？使導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，可以斷開陽極電源（圖3中的開關(guān)S）或使陽極電流小于維持導(dǎo)通的最小值（稱為維持電流）。如果晶閘管陽極和陰極之間外加的是交流電壓或脈動(dòng)直流電壓，那么，在電壓過零時(shí)，晶閘管會(huì)自行關(guān)斷。

應(yīng)用類型

圖4示出了雙向可控硅的特性曲線。

由圖可見，雙向可控硅的特性曲線是由一、三兩個(gè)象限內(nèi)的曲線組合成的。第一象限的曲線說明當(dāng)加到主電極上的電壓使Tc對(duì)T1的極性為正時(shí)，我們稱為正向電壓，并用符號(hào)U21表示。當(dāng)這個(gè)電壓逐漸增加到等于轉(zhuǎn)折電壓UBO時(shí)，圖3（b）左邊的可控硅就觸發(fā)導(dǎo)通，這時(shí)的通態(tài)電流為I21，方向是從T2流向Tl。從圖中可以看到，觸發(fā)電流越大，轉(zhuǎn)折電壓就越低，這種情形和普通可控硅的觸發(fā)導(dǎo)通規(guī)律是一致的， 當(dāng)加到主電極上的電壓使Tl對(duì)T2的極性為正時(shí)，叫做反向電壓，并用符號(hào)U12表示。當(dāng)這個(gè)電壓達(dá)到轉(zhuǎn)折電壓值時(shí)，圖3（b）右邊的可控硅便觸發(fā)導(dǎo)通，這時(shí)的電流為I12，其方向是從T1到T2。這時(shí)雙向可控硅的特性曲線，如圖4中第三象限所示。

四種觸發(fā)方式

由于在雙向可控硅的主電極上，無論加以正向電壓或是反向電壓，也不管觸發(fā)信號(hào)是正向還是反向，它都能被觸發(fā)導(dǎo)通，因此它有以下四種觸發(fā)方式：

（1）當(dāng)主電極T2對(duì)Tl所加的電壓為正向電壓，控制極G對(duì)第一電極Tl所加的也是正向觸發(fā)信號(hào)（圖5a）。雙向可控硅觸發(fā)導(dǎo)通后，電流I2l的方向從T2流向T1。由特性曲線可知，這時(shí)雙向可控硅觸發(fā)導(dǎo)通規(guī)律是按第二象限的特性進(jìn)行的，又因?yàn)橛|發(fā)信號(hào)是正向的，所以把這種觸發(fā)叫做“第一象限的正向觸發(fā)”或稱為I+觸發(fā)方式。

（2）如果主電極T2仍加正向電壓，而把觸發(fā)信號(hào)改為反向信號(hào)（圖5b），這時(shí)雙向可控硅觸發(fā)導(dǎo)通后，通態(tài)電流的方向仍然是從T2到T1。我們把這種觸發(fā)叫做“第一象限的負(fù)觸發(fā)”或稱為I-觸發(fā)方式。

（3）兩個(gè)主電極加上反向電壓U12（圖5c），輸入正向觸發(fā)信號(hào)，雙向可控硅導(dǎo)通后，通態(tài)電流從T1流向T2。雙向可控硅按第三象限特性曲線工作，因此把這種觸發(fā)叫做Ⅲ+觸發(fā)方式。

（4）兩個(gè)主電極仍然加反向電壓U12，輸入的是反向觸發(fā)信號(hào)（圖5d），雙向可控硅導(dǎo)通后，通態(tài)電流仍從T1流向T2。這種觸發(fā)就叫做Ⅲ-觸發(fā)方式。 雙向可控硅雖然有以上四種觸發(fā)方式，但由于負(fù)信號(hào)觸發(fā)所需要的觸發(fā)電壓和電流都比較小。工作比較可靠，因此在實(shí)際使用時(shí)，負(fù)觸發(fā)方式應(yīng)用較多。

特性

常用的有阻容移相橋觸發(fā)電路、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路、晶體三極管觸發(fā)電路、利用小晶閘管觸發(fā)大晶閘管的觸發(fā)電路，等等。

可控硅的主要參數(shù)有：

1、 額定通態(tài)平均電流IT 在一定條件下，陽極---陰極間可以連續(xù)通過的50赫茲正弦半波電流的平均值。

2、 正向阻斷峰值電壓VPF 在控制極開路未加觸發(fā)信號(hào)，陽極正向電壓還未超過導(dǎo)能電壓時(shí)，可以重復(fù)加在可控硅兩端的正向峰值電壓。可控硅承受的正向電壓峰值，不能超過手冊給出的這個(gè)參數(shù)值。

3、 反向阻斷峰值電壓VPR 當(dāng)可控硅加反向電壓，處于反向關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，可以重復(fù)加在可控硅兩端的反向峰值電壓。使用時(shí)，不能超過手冊給出的這個(gè)參數(shù)值。

4、 觸發(fā)電壓VGT 在規(guī)定的環(huán)境溫度下，陽極---陰極間加有一定電壓時(shí)，可控硅從關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)所需要的最小控制極電流和電壓。

5、 維持電流IH 在規(guī)定溫度下，控制極斷路，維持可控硅導(dǎo)通所必需的最小陽極正向電流。許多新型可控硅元件相繼問世，如適于高頻應(yīng)用的快速可控硅，可以用正或負(fù)的觸發(fā)信號(hào)控制兩個(gè)方向?qū)ǖ碾p向可控硅，可以用正觸發(fā)信號(hào)使其導(dǎo)通，用負(fù)觸發(fā)信號(hào)使其關(guān)斷的可控硅等等。

分類

可控硅有多種分類方法。

（一）按關(guān)斷、導(dǎo)通及控制方式分類：可控硅按其關(guān)斷、導(dǎo)通及控制方式可分為普通可控硅、雙向可控硅、逆導(dǎo)可控硅、門極關(guān)斷可控硅（GTO）、BTG可控硅、溫控可控硅和光控可控硅等多種。

（二）按引腳和極性分類：可控硅按其引腳和極性可分為二極可控硅、三極可控硅和四極可控硅。

（三）按封裝形式分類：可控硅按其封裝形式可分為金屬封裝可控硅、塑封可控硅和陶瓷封裝可控硅三種類型。其中，金屬封裝可控硅又分為螺栓形、平板形、圓殼形等多種；塑封可控硅又分為帶散熱片型和不帶散熱片型兩種。

（四）按電流容量分類：可控硅按電流容量可分為大功率可控硅、中功率可控硅和小功率可控硅三種。通常，大功率可控硅多采用金屬殼封裝，而中、小功率可控硅則多采用塑封或陶瓷封裝。

（五）按關(guān)斷速度分類：可控硅按其關(guān)斷速度可分為普通可控硅和高頻（快速）可控硅。

（六）過零觸發(fā)-一般是調(diào)功，即當(dāng)正弦交流電交流電電壓相位過零點(diǎn)觸發(fā)，必須是過零點(diǎn)才觸發(fā)，導(dǎo)通可控硅。

（七）非過零觸發(fā)-無論交流電電壓在什么相位的時(shí)候都可觸發(fā)導(dǎo)通可控硅，常見的是移相觸發(fā)，即通過改變正弦交流電的導(dǎo)通角（角相位），來改變輸出百分比。

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