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可控硅元件的工作原理及基本特性电路？
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发布日期：2009-09-13 |
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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 可控硅等效图解图
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=β2ib2。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=β1ib1=β1β2ib2。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, 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用,没有关断功能,所以这种可控硅是不可关断c 所以一旦的。
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
表1 可控硅导通和关断条件
状态 条件 说明
从关断到导通 1、阳极电位高于是阴极电位
2、控制极有足够的正向电压和电流
两者缺一不可
维持导通 1、阳极电位高于阴极电位
2、阳极电流大于维持电流
两者缺一不可
从导通到关断 1、阳极电位低于阴极电位
2、阳极电流小于维持电流
任一条件即可
2、基本伏安特性
可控硅的基本伏安特性见图2
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J1、J2结反偏。此时只能流过很小的反向饱和电流,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,可控硅会发生性反向击穿。
图3 阳极加反向电压
（2）正向特性
当控制极开路,阳极上加上正向电压时（见图4）,J1、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
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J1、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
3、触发导通
在控制极G上加入正向电压时（见图5）因J3正偏,P2区的空穴时入N2区,N2区的电子进入P2区,形成触发电流IGT。在可控硅的内部正反馈作用（见图2）的基础上,加上IGT的作用,使可控硅提前导通,导致图3的伏安特性OA段左移,IGT越大,特性左移越快。
图5 阳极和控制极均加正向电压
十一、可控硅参数符号
参数符号说明:
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
VISO--模块绝缘电压
Tjm--额定结温
VDRM--通态重复峰值电压
IRRM--反向重复峰值电流
IF(AV)--正向平均电流
十二、如何鉴别可控硅的三个极
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）。
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、民用电器等方面争相采用的元件。
一、 可控硅的结构和特性
■可控硅从外形上分主要有螺旋式、平板式和平底式三种（见图表-25）。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。其结构示意图和符号见图表-26。
■从图表-26中可以看到，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。目前已能制造出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。
■可控硅为什么其有“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，我们可以把从阴极向上数的、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。这样就可画出图表-27（C）的等效电路图来分析。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β1 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β2 的集电极电流IC2 送回BG1 的基极放大。如此循环放大，直到BG1 、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（β1 *β2 *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，如果Ea 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。
二、可控硅的主要参数 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、 反向阴断峰值电压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、 控制极触发电流Ig1 、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。
■近年来，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，用负触发信号使其关断的可控硅等等。
可控硅
可控硅是硅可控整流元件的简称，亦称为晶闸管。具有体积小、结构相对简单、功能强等特点，是比较常用的半导体器件之一。该器件被广泛应用于各种电子设备和电子产品中，多用来作可控整流、逆变、变频、调压、无触点开关等。家用电器中的调光灯、调速风扇、空调机、电视机、电冰箱、洗衣机、照相机、组合音响、声光电路、定时控制器、玩具装置、无线电遥控、摄像机及工业控制等都大量使用了可控硅器件。
可控硅的分类
按其工作特性，可控硅（THYRISTOR)可分为普通可控硅（SCR）即单向可控硅、双向可控硅（TRIAC)和其它特殊可控硅。
可控硅的触发
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。
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。
可控硅的主要参数
可控硅的主要参数: 1 额定通态电流（IT)即稳定工作电流，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。
可控硅的常用封装形式
常用可控硅的封装形式有TO-92、TO-126、TO-202AB、TO-220、TO-220AB、TO-3P、SOT-89、TO-251、TO-252等。
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