可控硅的一些基本知识

1、可控硅的一些基本知识摘要： 可控硅(Silicon Controlled Rectifier)简称 SCR, 是一种大功率电器元件，也称晶闸管。它具有体积小、效率高、 寿命长等优点。在自动控制系统中，可作为大功率驱动器件，实 现用小功率控件控制大功率设备。它在交直流电机调速系统、调 功系统及随动系统中得到了广泛的应用。可控硅分单向可控硅和 双向可控硅两种可控硅(Silicon Controlled Rectifier)简称 SCR，是一种 大功率电器元件，也称晶闸管。它具有体积小、效率高、寿命长等优 点。在自动控制系统中，可作为大功率驱动器件，实现用小功率控件 控制大功率设备。它在交直流电机调

2、速系统、调功系统及随动系统中 得到了广泛的应用。可控硅分单向可控硅和双向可控硅两种。双向可控硅也叫三端双向可控硅，简称TRIACo双向可控硅 在结构上相当于两个单向可控硅反向连接，这种可控硅具有双向导通 功能。其通断状态由控制极G决定。在控制极G上加正脉冲(或负脉 冲)可使其正向(或反向)导通。这种装置的优点是控制电路简单，没 有反向耐压问题，因此特别适合做交流无触点开关使用。结构编辑大 家使用的是单向晶闸管，也就是人们常说的普通晶闸可控硅管，它是由四层半导体材料组成的，有三个PN结，对 外有三个电极第一层P型半导体引出的电极叫阳极A，第三层P型半导体 引出的电极叫控制极G，第四层N型半导体引

3、出的电极叫阴极K。从 晶闸管的电路符号可以看到，它和二极管一样是一种单方向导电的器件，关键 是多了一个控制极G，这就使它具有与二极管完全不同的工作特性。 以硅单晶为基本材料的P1N1P2N2四层三端器件，起始于1957年，因 为它的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 称晶闸管T，又因为晶闸管最初的在静止整流方面，所以又被称之为 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，如果超过此功率，因元件开关损耗显著增加，允许通过 的

4、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;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。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。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。可控硅结构示意图和符号图工作原理编辑

5、结构原件可控硅是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，其等效图解如右图所示。双向可控硅：双向可控硅是一种硅可控 整流器件，也称作双向晶闸管。这种器件在电路中能够实现交流电的 无触点控制，以小电流控制大电流，具有无火花、动作快、寿命长、 可靠性高以及简化电路结构等优点。从外表上看，双向可控硅和普通 可控硅很相似，也有三个电极。但是，它除了其中一个电极G仍叫做 控制极外，另外两个电极通常却不再叫做阳极和阴极，而统称为主电 极Tl和T2。它的符号也和普通可控硅不同，是把两个可控硅反接在 一起画成的，如图2所示。它的型号，在我

6、国一般用“3CTS”或“KS” 表示；国外的资料也有用“TRIAC”来表示的。双向可控硅的规格、型 号、外形以及电极引脚排列依生产厂家不同而有所不同，但其电极引 脚多数是按T1、T2、G的顾序从左至右排列（观察时，电极引脚向下，面对标有字符的一面）。市场上最常见的几种塑封外形结构双向可控 硅的外形及电极引脚排列如下图1所示。晶闸管特性i Lum可控硅为了能够直观地认识晶闸管的工作特性，大家先看这 块示教板（图3）。晶闸管VS与小灯泡EL串联起来，通过开关，接在 直流电源上。注意阳极A是接电源的正极，阴极K接电源的负极，控 制极G通过按钮开关SB接在1.5V直流电源的正极（这里使用的是KP1 型

7、晶闸管，若采用KP5型，应接在3V直流电源的正极）。晶闸管与电 源的这种连接方式叫做正向连接，也就是说，给晶闸管阳极和控制极 所加的都是正向电压。合上电源开关S，小灯泡不亮，说明晶闸管没 有导通;再按一下按钮开关SB，给控制极输入一个触发电压，小灯泡 亮了，说明晶闸管导通了。这个演示实验给了我们什么启发呢?这个 实验告诉我们，要使晶闸管导通，一是在它的阳极A与阴极K之间外 加正向电压，二是在它的控制极G与阴极K之间输入一个正向触发电 压。晶闸管导通后，松开按钮开关，去掉触发电压，仍然维持导通状 态。晶闸管特点“一触即发”。但是，如果阳极或控制极外加的 是反向电压，晶闸管就不能导通。控制极的作用

8、是通过外加正向触发 脉冲使晶闸管导通，却不能使它关断。那么，用什么方法才能使导通 的晶闸管关断呢?使导通的晶闸管关断，可以断开阳极电源（图3中的 开关S）或使阳极电流小于维持导通的最小值（称为维持电流）。如果 晶闸管阳极和阴极之间外加的是交流电压或脉动直流电压，那么，在 电压过零时，晶闸管会自行关断。应用类型图4示出了双向可控硅的特性曲线。由图可见，双向可控硅的特性曲线是由一、三两个象限内的 曲线组合成的。第一象限的曲线说明当加到主电极上的电压使Tc对 T1的极性为正时，我们称为正向电压，并用符号U21表示。当这个 电压逐渐增加到等于转折电压UBO时，图3(b)左边的可控硅就触发 导通，这时的

9、通态电流为I21，方向是从T2流向Tl。从图中可以看 到，触发电流越大，转折电压就越低，这种情形和普通可控硅的触发 导通规律是一致的，当加到主电极上的电压使Tl对T2的极性为正 时，叫做反向电压，并用符号U12表示。当这个电压达到转折电压值 时，图3(b)右边的可控硅便触发导通，这时的电流为I12，其方向是 从T1到T2。这时双向可控硅的特性曲线，如图4中第三象限所示。 四种触发方式由于在双向可控硅的主电极上，无论加以正向电压或是反向 电压，也不管触发信号是正向还是反向，它都能被触发导通，因此它 有以下四种触发方式：当主电极T2对Tl所加的电压为正向电压，控制极G对第 一电极Tl所加的也是正向

10、触发信号(图5a)。双向可控硅触发导通后， 电流I2l的方向从T2流向T1。由特性曲线可知，这时双向可控硅触 发导通规律是按第二象限的特性进行的，又因为触发信号是正向的， 所以把这种触发叫做“第一象限的正向触发”或称为I+触发方式。如果主电极T2仍加正向电压，而把触发信号改为反向信 号(图5b)，这时双向可控硅触发导通后，通态电流的方向仍然是从 T2到T1。我们把这种触发叫做“第一象限的负触发”或称为I-触发 方式。两个主电极加上反向电压U12(图5c)，输入正向触发信 号，双向可控硅导通后，通态电流从T1流向T2。双向可控硅按第三 象限特性曲线工作，因此把这种触发叫做m+触发方式。两个主电极

11、仍然加反向电压U12,输入的是反向触发信号 (图5d)，双向可控硅导通后，通态电流仍从T1流向T2。这种触发就 叫做III-触发方式。双向可控硅虽然有以上四种触发方式，但由于负 信号触发所需要的触发电压和电流都比较小。工作比较可靠，因此在 实际使用时，负触发方式应用较多。特性编辑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、利用小晶闸管触发大晶闸管的触发电路， 等等。可控硅的主要参数有：1、额定通态平均电流IT在一定条件下，阳极-阴极间可 以连续通过的50赫兹正弦半波电流的平均值。2、正向阻断峰值电压VPF在控制极开路未加触发信号，阳 极正向电压还未超过导能电压时，可以

12、重复加在可控硅两端的正向峰 值电压。可控硅承受的正向电压峰值，不能超过手册给出的这个参数 值。3、反向阻断峰值电压VPR当可控硅加反向电压，处于反向 关断状态时，可以重复加在可控硅两端的反向峰值电压。使用时，不 能超过手册给出的这个参数值。4、触发电压VGT在规定的环境温度下，阳极-阴极间加 有一定电压时，可控硅从关断状态转为导通状态所需要的最小控制极 电流和电压。5、维持电流IH在规定温度下，控制极断路，维持可控硅 导通所必需的最小阳极正向电流。许多新型可控硅元件相继问世，如 适于高频应用的快速可控硅，可以用正或负的触发信号控制两个方向 导通的双向可控硅，可以用正触发信号使其导通，用负触发信

13、号使其 关断的可控硅等等。分类编辑可控硅有多种分类方法。（一）按关断、导通及控制方式分类：可控硅按其关断、导通 及控制方式可分为普通可控硅、双向可控硅、逆导可控硅、门极关断 可控硅（GTO）、BTG可控硅、温控可控硅和光控可控硅等多种。（二）按引脚和极性分类：可控硅按其引脚和极性可分为二极 可控硅、三极可控硅和四极可控硅。（三）按封装形式分类：可控硅按其封装形式可分为金属封装 可控硅、塑封可控硅和陶瓷封装可控硅三种类型。其中，金属封装可 控硅又分为螺栓形、平板形、圆壳形等多种;塑封可控硅又分为带散 热片型和不带散热片型两种。可控硅开关（四）按电流容量分类：可控硅按电流容量可分为大功率可控 硅、

14、中功率可控硅和小功率可控硅三种。通常，大功率可控硅多采用 金属壳封装，而中、小功率可控硅则多采用塑封或陶瓷封装。（五）按关断速度分类：可控硅按其关断速度可分为普通可控 硅和高频（快速）可控硅。（六）过零触发-一般是调功，即当正弦交流电交流电电压相位 过零点触发，必须是过零点才触发，导通可控硅。（七）非过零触发-无论交流电电压在什么相位的时候都可触 发导通可控硅，常见的是移相触发，即通过改变正弦交流电的导通角 （角相位），来改变输出百分比。可控硅型号编辑按一机部IBI144 一 75的规定，普通型可控硅称为KP型可控硅整流元件（又叫KP型硅闸 流管。普通可控硅的型号采用如下格式标注：K F 丑&

15、俗中曲田蛆都ET社DOAmj曹川:同-土氐向直S：晞血彰Bi坦明二随定企孕以通建氐网 氏布齿事的田3 iMift * 世吊的旭柚也图片1额定速态平均屯成系列共分为14个，如表1一5所示。 正反向重复蜂值屯压级别规定1000V以下的管子每100V为一级， 1000V以上的管子每200V为一级。取电压教除以100做为级别标志， 如表1-6所示。通态平均电压组别依电压大小分为9组，用宇毋表示， 如表1 一所示。例如.KP500-12D表示的是通态平均电流为500A,额定(正反向重复峰值)电压为1200V,管压降(通态平均电压)为0.6-0.7V的普通型可控硅。N UAF1 P4-VJ4W-CJ-IA

16、.rf1HIp*j1wm.*H.mRFHHHIRTR=Io*HHHll1E?FHVMWkwH44 Nw中* 玳4件-倒w1ifclaIftta,BN-i1IhM11U4.MJItiHiH,H-A1H4B H一BH-H1NII I?flin:鼻鼻Vm mn:w4v4A| 5 E ip-i* f wAr令icI.1综上所述，小结如下：可控硅一般做成螺栓形和平板形，有三个电极，用硅半导 体材料制成的管芯由PNPN四层组成可控硅由关断转为导通必须同时具备两个条件：(1受正向阳极电压；受正向门极电压。可控硅导通后，当阳极电流小干维持电流In时.可控硅关 断。可控硅的特性主要是:1.阳极伏安特性曲线，2.

17、门极伏安 特性区。应在额定参数范围内使用可控硅。选择可控硅主要确定两 个参致：ir.Jr主要参数编辑电流1.额定通态电流(IT)即最大稳定工作电 流，俗称电流。常用可控硅的IT 一般为一安到几十安。2.反向重复 峰值电压(VRRM)或断态重复峰值电压(VDRM),俗称耐压。常用可控硅 的VRRM/VDRM 一般为几百伏到一千伏。3.控制极触发电流(IGT),俗 称触发电流。常用可控硅的IGT 一般为几微安到几十毫安。4,在规 定环境温度和散热条件下，允许通过阴极和阳极的电流平均值。封装形式编辑常用可控硅的封装形式有TO-92、TO-126、 TO-202AB、 TO-220、 TO-220AB

18、C、 TO-3P、 SOT-89、 TO-251、 TO-252、 SOT-23、 SOT23-3L 等用途编辑普通晶闸管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。如果把二极管换成晶闸管， 就可以构成可控整流电路。以最简单的单相半波可控整流电路为例， 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，晶闸管被触发导通。画出它的波形(c)及(d)，只有在触 发脉冲Ug到来时，负载RL上才有电压UL输出Ug到来得早，晶闸 管导通的时间就早;Ug到来得晚，晶闸管导通的时间就晚。通

19、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。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；在每个正半周内晶闸管导通的电角度 叫导通角。很明显，a和。都是用来表示晶闸管在承受正向电压的 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。1：小功率塑封双向可控硅通常用作声光控灯光系统。额定电 流：IA小于2A。2：大；中功率塑封和铁封可控硅通常用作功率型可 控调压电路。像可调压输出直流电源等等。3：大功率高

20、频可控硅通 常用作工业中;高频熔炼炉等。鉴别编辑可控硅从外形上分主要有螺旋式、平板式和平底式 三种，螺旋式的应用较多。可控硅有三个电极-阳极(A)阴极(C)和 控制极(G)。它有管芯是P型导体和N型导体交迭组成的四层结构， 共有三个PN结。可控硅和只有一个PN结的硅整流二极度管在结构上 迥然不同。可控硅的四层结构和控制极的引用，为其发挥“以小控大” 的优异控制特性奠定了基础。在应用可控硅时，只要在控制极加上很 小的电流或电压，就能控制很大的阳极电流或电压。电流容量达几百 安培以至上千安培的可控硅元件。一般把5安培以下的可控硅叫小功 率可控硅，50安培以上的可控硅叫大功率可控硅。电压测方法可控硅

21、为什么其有“以小控大”的可控性呢?下面 我们用图表-27来简单分析可控硅的工作原理。首先，可以把从阴极 向上数的第一、二、三层看面是一只NPN型号晶体管，而二、三四层 组成另一只PNP型晶体管。其中第二、第三层为两管交迭共用。当在 阳极和阴极之间加上一个正向电压Ea，又在控制极G和阴极C之间(相 当BG1的基一射间)输入一个正的触发信号，BG1将产生基极电流Ib1， 经放大，BG1将有一个放大了8 1倍的集电极电流IC1。因为BG1集 电极与BG2基极相连，IC1又是BG2的基极电流Ib2。BG2又把比 Ib2(Ib1)放大了B2的集电极电流IC2送回BG1的基极放大。如此循环放大，直到BG1

22、、BG2完全导通。实际这一过程是“一 触即发”的过程，对可控硅来说，触发信号加入控制极，可控硅立即 导通。导通的时间主要决定于可控硅的性能。可控硅一经触发导通后， 由于循环反馈的原因，流入BG1基极的电流已不只是初始的Ib1，而 是经过BG1、BG2放大后的电流(B1*B 2*Ib1)这一电流远大于Ib1， 足以保持BG1的持续导通。此时触发信号即使消失，可控硅仍保持导 通状态只有断开电源Ea或降低Ea，使BG1、BG2中的集电极电流小 于维持导通的最小值时，可控硅方可关断。当然，如a极性反接， BG1、BG2由于受到反向电压作用将处于截止状态。这时，即使输入 触发信号，可控硅也不能工作。反过

23、来，Ea接成正向，而触动发信 号是负的，可控硅也不能导通。另外，如果不加触发信号，而正向阳 极电压大到超过一定值时，可控硅也会导通，但已属于非正常工作情 况了。可控硅这种通过触发信号(小的触发电流)来控制导通(可控硅 中通过大电流)的可控特性，正是它区别于普通硅整流二极管的重要 特征。普通可控硅的三个电极可以用万用表欧姆挡RX100挡位来测。 大家知道，晶闸管G、K之间是一个PN结(a)，相当于一个二极管，G 为正极、K为负极，所以，按照测试二极管的方法，找出三个极中的 两个极，测它的正、反向电阻，电阻小时，万用表黑表笔接的是控制 极G，可以用刚才演示用的示教板电路。接通电源开关S，按一下按

24、钮开关SB，灯泡发光就是好的，不发光就是坏的。测量方法鉴别可控硅三个极的方法很简单，根据P-N结的原 理，只要用万用表测量一下三个极之间的电阻值就可以。阳极与阴极 之间的正向和反向电阻在几百千欧以上，阳极和控制极之间的正向和 反向电阻在几百千欧以上（它们之间有两个P-N结，而且方向相反， 因此阳极和控制极正反向都不通）1。控制极与阴极之间是一个 P-N结，因此它的正向电阻大约在几欧-几百欧的范围，反向电阻比 正向电阻要大。可是控制极二极管特性是不太理想的，反向不是完全 呈阻断状态的，可以有比较大的电流通过，因此，有时测得控制极反 向电阻比较小，并不能说明控制极特性不好。另外，在测量控制极正 反

25、向电阻时，万用表应放在R*10或R*1挡，防止电压过高控制极反 向击穿。若测得元件阴阳极正反向已短路，或阳极与控制极短路，或 控制极与阴极反向短路，或控制极与阴极断路，说明元件已损坏。可 控硅是可控硅整流元件的简称，是一种具有三个PN结的四层结构的 大功率半导体器件。实际上，可控硅的功用不仅是整流，它还可以用 作无触点开关以快速接通或切断电路，实现将直流电变成交流电的逆 变，将一种频率的交流电变成另一种频率的交流电，等等。可控硅和 其它半导体器件一样，其有体积小、效率高、稳定性好、工作可靠等 优点。它的出现，使半导体技术从弱电领域进入了强电领域，成为工 业、农业、交通运输、军事科研以至商业、民

26、用电器等方面争相采用 的元件。主要生产厂家编辑主要厂家品牌：ST, NXP/PHILIPS, NEC, ON/MOTOROLA, RENESAS/MITSUBISHI， LITTELFUSE/TECCOR， TOSHIBA， JX ， SANREX， SANKEN ， SEMIKRON ， EUPEC， IR， JBL 等。术语编辑IT（AV）-通态平均电流VRRM反向重复峰值电压 IDRM 断态重复峰值电流ITSM通态一个周波不重复浪涌电流 VTM通态峰值电压IGT 门极触发电流VGT-门极触发电压IH维 持电流dv/dt断态电压临界上升率di/dt-通态电流临界上升率 Rthjc-结壳热阻WSO模块绝缘电压Tjm-额定结温VDRM断态重 复峰值电压IRRM反向重复峰值电流IF（AV）-正向平均电流PGM- 门极峰值功率PG-门极平均功率延伸阅读编辑1、栅极上的噪声电平在有电