可控硅

在本教程中，我们将学习可控硅整流器(SCR)。我们将学习它的符号，结构，工作，打开和关闭方法和一些应用程序。

介绍

可控硅整流器(SCR)是晶闸管家族中最重要和最常用的成员。可控硅可用于不同的应用，如整流、功率调节和逆变等。像二极管一样，可控硅是一个单向装置，允许电流在一个方向，反对在另一个方向。

可控硅是一种三端器件;正极、阴极和栅极如图所示。可控硅内置了开关功能，其开关由偏置条件和门输入端子控制。

通过改变可控硅的周期，这将导致在负载上传输的平均功率的变化。它可以处理数千种电压和电流。可控硅元件及其端子如图所示。

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可控硅整流器结构

可控硅是一个四层三终端设备。由P层和N层组成的四层交叉排列，形成J1、J2和J3三个结点。根据结构的类型，这些连接可以是合金化的，也可以是扩散的。

外层(P和n层)是重掺杂的，而中间的P和n层是轻掺杂的。极端位于中间P层，阳极位于P层外，阴极位于N层端子。可控硅是由硅制成的，因为与锗相比，硅中的漏电流非常小。

为了制造可控硅，采用了三种结构，即平面式、台面式和压包式。对于低功率可控硅，在可控硅的所有结都扩散的地方使用平面结构。在台面型结构中，J2结是通过扩散方法形成的，因此外层与之合金化。

这种结构主要用于大功率可控硅整流器。为了提供高机械强度，可控硅用钼或钨制成的板支撑。其中一块板焊接到铜螺柱上，铜螺柱进一步螺纹连接散热器。

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可控硅的工作方式或操作方式

根据给可控硅的偏置，可控硅的工作分为三种模式。他们是

1. 向前阻塞模式
2. 正向传导模式
3. 反向阻断方式

向前阻塞模式

在这种工作方式中，可控硅整流器连接，使阳极端相对于阴极为正，栅极端保持打开。在这种状态下，结J1和J3是正向偏压的，结J2是反向偏压的。

因此，一个小的泄漏电流流过可控硅。直到施加在可控硅上的电压大于可控硅的开断电压，可控硅才会对电流流提供一个非常高的电阻。因此，在这种模式下，可控硅充当一个开路开关，阻断流经可控硅的正向电流，如图可控硅的VI特性曲线所示。

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向前传导模式

在这种模式下，可控硅或可控硅从阻塞模式进入导通模式。它可以通过两种方式来完成，要么是通过将正脉冲应用到栅极终端，要么通过增加正向电压(或通过阳极和阴极的电压)超过可控硅的击穿电压。

一旦这些方法中的任何一种被应用，雪崩击穿发生在J2结。因此可控硅变成传导模式，并作为一个闭合开关，从而电流开始流过它。

注意，在VI特征图中，如果栅极电流值较高，则进入导通模式的时间最小，为Ig3 > Ig2 > Ig1。在这种模式下，最大电流流过可控硅，其值取决于负载电阻或阻抗。

还需要注意的是，如果栅极电流增加，打开可控硅所需的电压较小，如果首选的栅极偏置。使可控硅由阻塞模式变为传导模式的电流称为闭锁电流(IL)。

当正向电流达到可控硅返回阻塞状态的电平时，称为保持电流(IH)。在这个保持电流水平，耗竭区开始在J2结附近发展。因此，保持电流略小于锁存电流。

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反向阻断方式

在这种工作方式中，阴极相对于阳极变成正极。然后连接J1和J3是反向偏置，J2是正向偏置。这个反向电压驱动可控硅进入反向阻塞区域，导致一个小的泄漏电流通过它，并起到如图所示的开路开关的作用。

因此，该设备在此模式下提供高阻抗，直到施加的电压小于可控硅的反向击穿电压VBR。如果反向施加的电压增加超过VBR，那么雪崩击穿发生在结J1和J3，结果增加反向电流通过可控硅。

这种反向电流在可控硅中造成更多的损耗，甚至增加了它的热量。因此，当反向电压超过VBR时，将会对可控硅造成相当大的损害。

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可控硅的两个晶体管模拟

可控硅的双晶体管类比或双晶体管模型表示了理解可控硅工作的最简单的方法，将其可视化为两个晶体管的组合，如图所示。每个晶体管的集电极与另一个晶体管的基极相连。

假设在正极和阴极端子之间连接了负载电阻，并且在栅极和阴极端子上施加了小电压。当没有栅极电压时，由于基极电流为零，晶体管2处于截止模式。因此，没有电流流过集电极和晶体管T1的基极。因此，两个晶体管都是开路的，因此没有电流流过负载。

当栅极和阴极之间施加一个特定的电压时，一个小的基极电流流过晶体管2的基极，因此集电极电流将增加。因此，晶体管T1的基极电流驱动晶体管进入饱和模式，因此负载电流将从阳极流向阴极。

由上图可知，晶体管T2的基极电流变为晶体管T1的集电极电流，反之亦然。

因此

Ib2 = Ic1, Ic2 = Ib1

通过阴极端子的电流，Ik = Ig + Ia ......(1)

晶体管,

Ib1 = Ie1 - Ic1 ......(2)

and Ic1 = α1Ie1 + Ico1......(3)

其中Ico1为漏电流。

将方程3代入方程2，得到

Ib1 = Ie1 (1 - α1) - Ico1 .......(4)

由图可知，阳极电流为晶体管T1的发射极电流，

Ia = Ie1

那么Ib1 = Ia (1 - α1) - Ico1

对于晶体管T2也是一样

Ic2 = α2Ie2 + Ico2

但是Ik = Ie2

因此，Ic2 = α2Ik + Ico2

Ic2 = α2 (Ig + Ia) + Ico2 .....(5)

但Ib1 = Ic2 .....(6)

将方程4、5代入方程6，得到

Ia (1 - α1) - Ico1 = α2 (Ig + Ia) + Ico2

Ia = [α2 Ig + Ico1 + Ico2] / [1- (α1 + α2)]

假设两个晶体管的漏电流可以忽略不计，我们就可以得到

a = [α2 Ig] / [1- (α1 + α2)]

其中α1和α2分别是两个晶体管的增益。

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SCR打开方法

由上式可知，如果(α1 + α2) = 1，则Ia变为无穷。这意味着阳极电流突然上升到一个高值，并从非导电状态锁存到导电模式。这被称为SCR的再生作用。因此，对于可控硅触发，栅极电流值(α1 + α2)必须接近统一。由所得到的方程可知，使可控硅接通的条件是

1.当器件的温度很高时，通过可控硅的漏电流会增加。这就把可控硅变成了传导。

2.当流过器件的电流非常小时，α1和α2也非常小。在结J2附近有较大的电子倍增因子Mn和空穴倍增因子Mp，是产生击穿电压的条件。因此，通过增加跨设备的电压来击穿电压VBO导致结J2击穿，从而可控硅被打开。

3.并通过增加α1和α2实现了突破条件。晶体管的电流增益取决于Ig的值，所以通过增加Ig，可控硅可以打开。

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SCR关闭方法

一个可控硅不能被关闭通过门终端像打开过程。为了关闭可控硅，阳极电流必须降低到一个水平低于可控硅的保持电流水平。关闭可控硅的过程称为换向。可控硅换向的两种主要类型是，

1. 自然变换和
2. 强制换向

强制换相又分为几种类型，例如

• A类减刑
• B类减刑
• C类减刑
• 类D变换
• 类E变换

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采用可控硅直流电机控制

考虑下图中可控硅用来控制直流电机的速度。正如我们所知道的那样，直流电机由励磁和电枢绕组组成。通过控制施加在电枢上的电压，就可以控制直流电机的速度。

交流市电被连接到变压器一次和二次绕组，两个可控硅并联如图所示。这些可控硅的输出驱动直流电机。磁场绕组通过二极管连接，二极管给磁场绕组提供不可控制的直流功率。

在输入的正半周期内，SCR1是正向偏置的，当触发脉冲被给予门极时，SCR1开始导电。因此负载电流通过SCR1流向直流电机。在输入的负半周期间，SCR 2是正向偏置，SCR1是反向偏置，因此SCR1被关闭。

当栅极触发给SCR2时，它开始导电。通过改变各自可控硅的触发输入，直流电机的平均输出也随之改变，因此其速度也得到了控制。

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采用可控硅交流电机控制

通过改变施加在交流感应电动机上的定子电压来控制其速度。下图显示了可控硅用于改变施加在感应电机定子上的电压的连接。

每相由两个反平行可控硅组成，一个为正峰，另一个为负峰。因此，总共有六种可控硅配置用于产生可变功率。

输入三相交流电源通过这组晶闸管提供给三相感应电动机。当这些可控硅用延迟脉冲触发时，施加到感应电动机上的平均电压会发生变化，从而导致速度变化。

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可控硅整流器的优点

1. 与机电或机械开关相比，可控硅没有运动部件。因此，高效率，它可以提供无噪音的操作。
2. 开关速度非常高，因为它可以每秒执行1纳米操作。
3. 这些器件可以在高电压和高电流额定值下使用小的栅极电流。
4. 更适合交流操作，因为在交流周期的每个零位，可控硅将自动关闭。
5. 体积小，安装方便，无故障。

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总结

1. 可控硅整流器的行为就像一个有两种状态的开关，要么是无导状态，要么是导电状态。
2. 可控硅有三种工作模式。这三种模式分别是正向阻断模式、正向传导模式和反向阻断模式。
3. 主要有两种方法来打开可控硅，这意味着要么通过增加跨越可控硅的电压超过可控硅的开断电压，要么通过施加一个小电压到栅极。栅极的典型值是1.5 V, 30 mA。如果栅极电流增加，可控硅将在极低的电源电压下打开。
4. 可控硅不能通过门关闭，所以打开可控硅，施加的电压必须降低到零。
5. 可控硅整流器可用于交流和直流开关应用。

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