可控硅的应用

浅析可控硅原理及其典型应用摘要从目前电子工业的发展来看，尽管有各种新型的半导体材料不断出现，但是半导体材料中98%仍是硅材料，硅材料仍是集成电路产业的基础，其中可控硅具有体积小、重量轻、功率高、寿命长等优点而得到了广泛的应用。本文主要通过论述单向可控硅（普通可控硅）、双向可控硅的基本原理、以及其典型应用，以此给读者简单介绍一下可控硅。关键词：半导体可控硅集成电路AbstractFromthecurrentperspectiveofthedevelopmentoftheelectronicsindustry,inspiteofavarietyofnewsemiconductormaterialscontinuetoappear,butthesemiconductormaterialisstill98%ofthesiliconmaterial,siliconmaterialisstillthebasisoftheintegratedcircuitindustry,inwhichSCRhasasmallsize,weightlight,highpower,longlifeandotheradvantageshavebeenwidelyused.Thispaperdiscussesaone-waythroughtheSCR（generalSCR）,thebasicprinciplesofbi-directionalthyristorandapplicationinthecommonlyusedsoastogivethereaderabriefSCR.Keywords:semiconductorsiliconintegratedcircuits一、可控硅元件简介可控硅又叫品闸管，是半导体品体闸流管的简称，它是一种用小电流控制大电流开关型半导体器件，常用的有普通可控硅（又称单向可控硅）和双向可控硅两大类，由于具有体积小、质量轻、效率高、寿命长、耐振、无噪声、使用方便等优点。因此在很短的时间内引起了国内、外，工、农业生产各部门极大的重视，被广泛应用到各种生产设备和家用电器上。按其工作原理大致可以分为四类。1.整流:把交流电变为大、小可调的直流电。2.逆变:把直流电变为一定频率的交流电。3.直流开关:作直流回路开关或直流调压。4.交流开关:作交流回路开关或交流调压。按其服务对象来分，可用于工业、农业、国防、交通、运输、矿山、冶金、轻工、化工等部门。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。下面就单向可控硅和三端双向可控硅这两类可控硅分别做个简单介绍。二、单向可控硅工作原理首先让我们来认识一下单向可控硅。它的内部结构示意如图1（a）所示。由图1（a）可见，单向可控硅由四层半导体PNPN组成，中间有3个PN结；J,J和J结，由P区引出阳极A，N区引出阴极112 2 1 2 3 3 2K，中间的P2区引出控制极（或称为门极）G。单向可控硅的电路符号如图1（b）所示。Ji图15ZJi图1Jj硅示意图和电路符号Jj硅示意图和电路符号口（a）结构示意图；（b）电路符号（a为了理解单向可控硅的工作原理，可以把单向可控硅等效地看成一个PNP型品体管T1与一个NPN型品体管T2组合而成，中间的P2层和N1层半导体为两个晶体管共用，阳极A相当于T1的发射极，，阴极K相当于T2的发射极，如图2所示。Ll・」理解单向可控硅工作原理的关键是了解控制极的作用。控制极不加电压或加反向电压当控制极悬空或者控制极与阴极之间加反向电压，即uGKV0时，必有IG=0.如果在阳极与阴极之间加反向电压，即UAKV0,由于T1,T2的发射结J,J2均处于反向偏置，T,T处于截止状态，此时流过单向可控硅中的电流只是J,J结的反向饱和电流，IQ1 2 1 3 A0,单向可控硅处以阻断状态；如果在阳极与阴极之间加正向电压，即UAK>0，J2结处于反偏状态，由于IG=0,T2必处于截止状态，此时单向可控硅中的电流只是J2结的反向饱和电流，IAQ0,单向可控硅仍处于阻断状态。所以，当控制极不加电压或加反向电压时，Ig=0,单向可控硅处于阻断状态，具有正、反阻断能力。控制极加正向电压当控制极与阴极之间加正向电压，即U弥>0时，T2的发射结J3处于正向偏置，Ig乏0。如果在阳极与阴极之间加反向电压，艮筛理V0,由于T1的发射结J1处于反向偏置：T1处于截止状态，所以单向可控硅处于阻断状态，IAQ0；如果阳极与阴极之间加正向电压，即U>0,由于T,T的发射结J,J处于正向偏置，集电结J处于反向偏置，AK 1 2 1 3 2T,T将处于放大状态。I经T放大后，T的集电极电流I=pI,T的集电极电12 G2 2 C2 2G2流又是T1的基极电流，经T1放大，T1集电极电流IC1=p1p21g，此电流又流入T2的基极进行放大，如此循环，就形成了很强的正反馈，，使T11,T:很快进入饱和状态:单向可控硅处于导通状态。单向可控硅导通后，阳极与阴极之间电压uak的数值很小，外加电源电压几乎全部降在负载上。 "单向可控硅的关断由以上分析可见，当单向可控硅导通后，T2的基极始终有T1的集电极电流IC1流过，而且IC1的数值要比开始外加的Ig大得多，所以即使控制极电压消失，Ig=0，仍可依靠管子本身的正反馈作用维持导通。所以，一旦单向可控硅导通后，控制极将失去控制作用。单向可控硅导通后，如果想使它重新关断，必须把阳极电流IA减小到使其不能维持正反馈，为此，可将阳极断开或在阳极与阴极之间加反向电压。A综上所述：在单向可控硅阳极与阴极间加正向电压的条件下，如果某时刻在控制极与阴极之间加入正向电压，单向可控硅将由阻断状态转为导通状态，称之为触发导通。单向可控硅导通后，控制极将失去控制作用，如果要重新关断单向可控硅，必须使其阳极电流小于一定的值Ih(称为维持电流)或使阳极与阴极之间电压uak减小到零。三、双向可控硅的工作原理双向可控硅亦称为双向品闸管，其内部是一个NPNPN的五层结构，为三端元112 2 3

件，它有三个电极：主电极A1,主电极A2和控制极（或称门极）G,亦为一闸极控制开关。无论从结构还是特性来看，都可以把它看成是一对反向并联的普通可控硅，其结构、等效电路及符号如图3所示。图3双向可控硅的符号、结构和等效电路双向可控硅的基本指控电路如图4所示。它的主电极A2、A1与控制对象（负载）Rl串联，相当于一个无触点开关。这个开关的“通”或“断”受控制极G上的信号ug（称为触发信号）的控制。当主电极A2、A1间有电压（u^0）时，在触发信号ug出现的瞬间，双向可控硅A2、A1间便会导通，相当于开关的闭合状态。而且一旦导通以后，即使ug喜爱欧式，也能保持导通状态，知道u=0或主电极与负载串联电路中的电流减小到某一值，它才截止。截止后相当于开关的断开状态。这样便可以用控制极上的小电流信号去控制主电极回路中的大电流。i1I股限关断状态_ _J a/导通状态U. 1 £-JKR9I0 \ I-美断状态图4导双向可控:的伏安特性曲线一般说来，无论双向可控硅两个主电极A2、A1间电压极性如何，只要在控制极上加一定幅度的正、负脉冲，都能使其导通。所以i表示主电极中的电流，u表示A2、A1之间的电压，则两者之间的函数关系图像（称为伏安特性曲线）如图4所示。由该曲线可知，双向可控硅在第I象限和第III象限具有基本相同的对称性能。按照主电极上的电压u和控制极上的触发脉冲电压ug的极性，结合伏安特性曲线，

双向可控硅可以分为四种触发方式，定义如下：（1） I+触发：在特性曲线第I象限（A2为正），控制极相对A1为正的触发。（2） 「触发：在特性曲线第I象限（A2为正），控制极相对A1为负的触发。（3） 111,触发：在特性曲线第III象限（A2为负），控制极相对A1为正的触发。（4） 11「触发：在特性曲线第I象限（A2为负），控制极相对A1为负的触发。在这四种触发方式中，I+和III具有较高的灵敏度，是常用的两种触发方式。在新型电热电动器具控制电商中，加在各双向可控硅控制极上的触发信号由单片微电脑或集成电路输出。有的输出一个连续的正（或负）电压信号，有的输出一连串与50Hz正弦交流电源同步的过零触发脉冲。前者称为电位触发，而后者则称为脉冲触发。它们的波形分别如图5和图6.三、可控硅的几种典型应用锁存器电路：图7-1是一种由继电器J、电源（+12V）、开关K1和微动开关K2组成的锁存器电路。当电源开关K1闭合时，因J回路中的开关K2和其触点J-1是断开的，继电器J不工作,其触点1-2也未闭合，所以电珠L不亮。一旦人工触动一下K2,J得电激活,对应的触点J-1、J-2闭合,L点亮。此时微动开关K2不再起作用（已自锁）。要使电珠L熄灭，只有断开电源开关K1便继电器释放，电珠L才会熄灭。所以该电路具有锁存器（J-1自锁）的功能。图7-2电路是用单向可控硅SCR代替图7-1中的继电器J,仍可完成图7-1的锁存器功能，即开关K1闭合时，电路不工作，电珠L不亮。当触动一下微动开关K2时,SCR因电源电压通过R1对门极加电而被触发导通且自锁，L点亮，此时K2不再起作用，要使L熄灭，只有断开K1。由此可见，图7-2电路也具有锁存器的功能。图7-2与图7-1虽然都具有锁存器功能，但它们的工作条件仍有区别:（1）图7-1的锁存功能是利用继电器触点的闭合维持其J线圈和L的电流，但图7-2中，是利用SCR自身导通完成锁存功能。（2）图7-1的与控制器件L完全处于隔离状态，但图7-2中的SCR与1不能隔离。所以在实际应用电路中，常把图7-1和图7-2电路混合使用，完成所需的锁存器功能。单向可控硅SCR振荡器：图7-3电路是利用SCR的锁存性制作的低频振荡器电路。图中的扬声器LS（8。/0.5W）作为振荡器的负载。当电路接上电源时，由于电源通过R1对C1充电,初始时,C1电压很低,A、B端的电位器W的分压不能触发SCR,SCR不导通。当C1充得电压达到一定值时,A、B端电压升高，SCR被触发而导通。一旦SCR导通,电容器C1通过SCR和LS放电，结果A、B端的电压又下降，当A、B端电压下降到很低时,又使SCR截止，一旦SCR截止，电容器C1又通过R1充电，这种充放电过程反复进行形成电路的振荡，此时LS发出响声。电路中的W可用来调节SCR门极电压的大小，以达到控制振荡器的频率变化。按图中元件数据,C1取值为0.22〜却F,电路均可正常工作。3.SCR半波整流稳压电源:如图4电路，是一种输出电压为+12V的稳压电源。该电路的特点是变压器B将220V的电压变换为低压（16〜20V），采用单向可控硅SCR半波整流。SCR的门极G从R1、D1和D2的回路中的C点取出约13.4V的电压作为SCR门阴间的偏置电压。电容器C1起滤波和储能作用。在输出CD端可获得约+12V的稳压。电路工作时,当A点低压交流为正半周时,SCR导通对C1充电。当充电电压接近C点电压或交流输入负半周时,SCR截止，所以C1上充得电压（即输出端CD）不会高于C点的稳压值。只有储能电容C1输出端对负载放电，其电压低于C点电压时，在A点的正半周电压才会给C1即时补充充电，以维持输出电压的稳定。图7-4电路与电池配合已成功用于某设备作后备电源。该稳压电源，按图中参数其输出电流可达2〜3A。图74.SCR全波整流稳压电源:上述的半波整流稳压电源，其缺点是电源的效率低，其纹波也较大。图7-5的SCR全波整流稳压电源，完全克服了上述的缺点。该电路的输出电压也为12V（也可改接成其他电压输出）。该电路实际是由图4的两个半波整流和稳压电路组合而成。D1、SCR1、D4等工作在交流的正半周;D2、SCR2、D6等工作在交流的负半周，他们共同向输出的C、D端提供电流。电路中的D3、D5起隔离作用，即D3是防止A点交流负半周时，其电流通过R1;D5是防止A点交流正半周时，其电流通过R2的。电路的其他工作过程与上期图7-4相同。5.双向可控硅和固体继电器（SSR）:利用双向可控硅BCR制作调光器是BCR最常见

的应用，如图7-6所示。由图可见，该SSR产品是由双向可控硅BCR和光耦合交流过零触发电路共同组成的，因此该SSR的效率高(即功耗小)、自身引起的电噪声(脉冲式干扰)很小。利用图7-6的内部电路，读者完全可以自制SSR，并把他应用到控制电路中，如图7-7可控制交流(220V)电源的插座电路。图中的光耦合器MOC3041为BCR提供交流过流触发信号。一般MOC3041的输入控制电流约20mA，所以当控制信号为5V时，其限流电阻取270。。图中的R2是控制BCR门极(G)触发电流的，该值应随使用BCR型号而调整的,一般6A/700V的BCR，其G极所需的触发电流约10mA，即可可靠触发BCR工作。图中的Z为交流电源插座。当图7-7中的控制信号输出5V电平时,BCR导通,Z上即有220V的电压输出，反之,Z