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一種以硅單晶為基本材料的P1N1P2N2四層三端器件,創(chuàng)制于1957年,由于它特性類似于真空閘流管,所以國(guó)際上通稱為硅晶體閘流管,簡(jiǎn)稱可控硅T。又由于可控硅最初應(yīng)用于可控整流方面所以又稱為硅可控整流元件,簡(jiǎn)稱為可控硅SCR。在性能上,可控硅不僅具有單向?qū)щ娦?,而且還具有比硅整流元件(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)??煽毓枘芤院涟布?jí)電流控制大功率的機(jī)電設(shè)備,如果超過此頻率,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??煽毓璧膬?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(wàn)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。1、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(yáng)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。2、工作原理可控硅是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,其等效圖解如圖1所示當(dāng)陽(yáng)極A加上正向電壓時(shí),BG1和BG2管均處于放大狀態(tài)。此時(shí),如果從控制極G輸入一個(gè)正向觸發(fā)信號(hào),BG2便有基流ib2流過,經(jīng)BG2放大,其集電極電流ic2=&2ib2。因?yàn)锽G2的集電極直接與BG1的基極相連,所以ib1=ic2。此時(shí),電流ic2再經(jīng)BG1放大,于是BG1的集電極電流ic1=p1ib1=p1p2ib20這個(gè)電流又流回到BG2的基極,表成正反饋,使ib2不斷增大,如此正向饋循環(huán)的結(jié)果,兩個(gè)管子的電流劇增,可控硅使飽和導(dǎo)通。由于BG1和BG2所構(gòu)成的正反饋?zhàn)饔茫砸坏┛煽毓鑼?dǎo)通后,即使控制極G的電流消失了,可控硅仍然能夠維持導(dǎo)通狀態(tài),由于觸發(fā)信號(hào)只起觸發(fā)作用,沒有關(guān)斷功能,所以

這種可控硅是不可關(guān)斷的。rtHHSMIII\IJRM[dr(jy由于可控硅只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài),所以它具有開關(guān)特性,這種特性需要一定的條件rtHHSMIII\IJRM[dr(jy條作從.關(guān)斷到導(dǎo)通1、陽(yáng)極電位高于是陰極電位控制極有足夠的正向電壓和電流兩者缺一不可維椅等通1、陽(yáng)極電位高于陰極電位么陽(yáng)極電流大于^持電流兩者仙一不可從導(dǎo)逋到獎(jiǎng)斷1、陽(yáng)極電位低于陰極電位么舊極電流&于維持電流任一條律都可可控硅的基本伏安特性見圖2n..+JC,古K'Ant^<]R:t<rit2<iRi圖2可控硅基本伏安特性(1)反向特性當(dāng)控制極開路,陽(yáng)極加上反向電壓時(shí)(見圖3),J2結(jié)正偏,但J1、J2結(jié)反偏。此時(shí)只能流過很小的反向飽和電流,當(dāng)電壓進(jìn)一步提高到J1結(jié)的雪崩擊穿電壓后,接差J3結(jié)也擊穿,電流迅速增加,圖3的特性開始彎曲,如特性O(shè)R段所示,彎曲處的電壓URO叫''反向轉(zhuǎn)折電壓〃。此時(shí),可控硅會(huì)發(fā)生永久性反向?1IpllnJ11ii2|KJIJ2珀Hrrrh(2)正向特性當(dāng)控制極開路,陽(yáng)極上加上正向電壓時(shí)(見圖4),J1、J3結(jié)正偏,但J2結(jié)反偏,這與普通PN結(jié)的反向特性相似,也只能流過很小電流,這叫正向阻斷狀態(tài),當(dāng)電壓增加,圖3的特性發(fā)生了彎曲,如特性O(shè)A段所示,彎曲處的是UBO叫:正向轉(zhuǎn)折電壓JIJ2珀JIJ3圖4陽(yáng)極加正向電壓由于電壓升高到J2結(jié)的雪崩擊穿電壓后,J2結(jié)發(fā)生雪崩倍增效應(yīng),在結(jié)區(qū)產(chǎn)生大量的電子和空穴,電子時(shí)入N1區(qū),空穴時(shí)入P2區(qū)。進(jìn)入N1區(qū)的電子與由P1區(qū)通過J1結(jié)注入N1區(qū)的空穴復(fù)合,同樣,進(jìn)入P2區(qū)的空穴與由N2區(qū)通過J3結(jié)注入P2區(qū)的電子復(fù)合,雪崩擊穿,進(jìn)入N1區(qū)的電子與進(jìn)入P2區(qū)的空穴各自不能全部復(fù)合掉,這樣,在N1區(qū)就有電子

積累,在P2區(qū)就有空穴積累,結(jié)果使P2區(qū)的電位升高,N1區(qū)的電位下降,J2結(jié)變成正偏,只要電流稍增加,電壓便迅速下降,出現(xiàn)所謂負(fù)阻特性,見圖3的虛線AB段。這時(shí)J1、J2、J3三個(gè)結(jié)均處于正偏,可控硅便進(jìn)入正向?qū)щ姞顟B(tài)---通態(tài),此時(shí),它的特性與普通的PN結(jié)正向特性相似,見圖2中的BC段2、觸發(fā)導(dǎo)通―r[GTAlli二plfril(恨倫JLJ213圖5陽(yáng)極和控制極均加正向電壓圖1、可控硅結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)圖3、可控硅在電路中的主要用途是什么?Alli二plfril(恨倫JLJ213普通可控硅最基本的用途就是可控整流。大家熟悉的二極管整流電路屬于不可控整流電路。如果把二極管換成可控硅,就可以構(gòu)成可控整流電路?,F(xiàn)在我畫一個(gè)最簡(jiǎn)單的單相半波可控整流電路〔圖4(a))。在正弦交流電壓U2的正半周期間,如果VS的控制極沒有輸入觸發(fā)脈沖Ug,VS仍然不能導(dǎo)通,只有在U2處于正半周,在控制極外加觸發(fā)脈沖Ug時(shí),可控硅被觸發(fā)導(dǎo)通?,F(xiàn)在,畫出它的波形圖〔圖4(c)及(d)),可以看到,只有在觸發(fā)脈沖Ug到來時(shí),負(fù)載RL上才有電壓UL輸出(波形圖上陰影部分)。Ug到來得早,可控硅導(dǎo)通的時(shí)間就早;Ug到來得晚,可控硅導(dǎo)通的時(shí)間就晚。通過改變控制極上觸發(fā)脈沖Ug到來的時(shí)間,就可以調(diào)節(jié)負(fù)載上輸出電壓的平均值UL(陰影部分的面積大小)。在電工技術(shù)中,常把交流電的半個(gè)周期定為180°,稱為電角度。這樣,在U2的每個(gè)正半周,從零值開始到觸發(fā)脈沖到來瞬間所經(jīng)歷的電角度稱為控制角a;在每個(gè)正半周內(nèi)可控硅導(dǎo)通的電角度叫導(dǎo)通角土很明顯,a和8都是用來表示可控硅在承受正向電壓的半個(gè)周期的導(dǎo)通或阻斷范圍的。通過改變控制角a或?qū)ń?,改變負(fù)載上脈沖直流電壓的平均值UL,實(shí)現(xiàn)了可控整流。4、在橋式整流電路中,把二極管都換成可控硅是不是就成了可控整流電路了呢?在橋式整流電路中,只需要把兩個(gè)二極管換成可控硅就能構(gòu)成全波可控整流電路了?,F(xiàn)在畫出電路圖和波形圖(圖5),就能看明白了5、可控硅控制極所需的觸發(fā)脈沖是怎么產(chǎn)生的呢?可控硅觸發(fā)電路的形式很多,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、利用小可控硅觸發(fā)大可控硅的觸發(fā)電路,等等。6、什么是單結(jié)晶體管?它有什么特殊性能呢?單結(jié)晶體管又叫雙基極二極管,是由一個(gè)PN結(jié)和三個(gè)電極構(gòu)成的半導(dǎo)體器件(圖6)。我們先畫出它的結(jié)構(gòu)示意圖〔圖7(a))。在一塊N型硅片兩端,制作兩個(gè)電極,分別叫做

第一基極B1和第二基極B2;硅片的另一側(cè)靠近B2處制作了一個(gè)PN結(jié),相當(dāng)于一只二極管,在P區(qū)引出的電極叫發(fā)射極E。為了分析方便,可以把B1、B2之間的N型區(qū)域等效為一個(gè)純電阻RBB,稱為基區(qū)電阻,并可看作是兩個(gè)電阻RB2、RB1的串聯(lián)〔圖7(b))。值得注意的是RB1的阻值會(huì)隨發(fā)射極電流IE的變化而改變,具有可變電阻的特性。如果在兩個(gè)基極B2、B1之間加上一個(gè)直流電壓UBB,則A點(diǎn)的電壓UA為:若發(fā)射極電壓UE<UA,二極管VD截止;當(dāng)UE大于單結(jié)晶體管的峰點(diǎn)電壓UP(UP=UD+UA)時(shí),二極管VD導(dǎo)通,發(fā)射極電流IE注入RB1,使RB1的阻值急劇變小,E點(diǎn)電位UE隨之下降,出現(xiàn)了IE增大UE反而降低的現(xiàn)象,稱為負(fù)阻效應(yīng)。發(fā)射極電流IE繼續(xù)增加,發(fā)射極電壓UE不斷下降,當(dāng)UE下降到谷點(diǎn)電壓UV以下時(shí),單結(jié)晶體管就進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。7、怎樣利用單結(jié)晶體管組成可控硅觸發(fā)電路呢?我們單獨(dú)畫出單結(jié)晶體管張弛振蕩器的電路(圖8)。它是由單結(jié)晶體管和RC充放電電路組成的。合上電源開關(guān)S后,電源UBB經(jīng)電位器RP向電容器C充電,電容器上的電壓UC按指數(shù)規(guī)律上升。當(dāng)UC上升到單結(jié)晶體管的峰點(diǎn)電壓UP時(shí),單結(jié)晶體管突然導(dǎo)通,基區(qū)電阻RB1急劇減小,電容器C通過PN結(jié)向電阻R1迅速放電,使R1兩端電壓Ug發(fā)生一個(gè)正跳變,形成陡峭的脈沖前沿〔圖8(b))0隨著電容器C的放電,UE按指數(shù)規(guī)律下降,直到低于谷點(diǎn)電壓UV時(shí)單結(jié)晶體管截止。這樣,在R1兩端輸出的是尖頂觸發(fā)脈沖。此時(shí),電源UBB又開始給電容器C充電,進(jìn)入第二個(gè)充放電過程。這樣周而復(fù)始,電路中進(jìn)行著周期性的振蕩。調(diào)節(jié)RP可以改變振蕩周期8、在可控整流電路的波形圖中,發(fā)現(xiàn)可控硅承受正向電壓的每半個(gè)周期內(nèi),發(fā)出第一個(gè)觸發(fā)脈沖的時(shí)刻都相同,也就是控制角a和導(dǎo)通角e都相等,那么,單結(jié)晶體管張弛振蕩器怎樣才能與交流電源準(zhǔn)確地配合以實(shí)現(xiàn)有效的控制呢?為了實(shí)現(xiàn)整流電路輸出電壓''可控〃,必須使可控硅承受正向電壓的每半個(gè)周期內(nèi),觸發(fā)電路發(fā)出第一個(gè)觸發(fā)脈沖的時(shí)刻都相同,這種相互配合的工作方式,稱為觸發(fā)脈沖與電源同步。怎樣才能做到同步呢?大家再看調(diào)壓器的電路圖(圖1)。請(qǐng)注意,在這里單結(jié)晶體管張弛振蕩器的電源是取自橋式整流電路輸出的全波脈沖直流電壓。在可控硅沒有導(dǎo)通時(shí),張弛振蕩器的電容器C被電源充電,UC按指數(shù)規(guī)律上升到峰點(diǎn)電壓UP時(shí),單結(jié)晶體管VT導(dǎo)通,在VS導(dǎo)通期間,負(fù)載RL上有交流電壓和電流,與此同時(shí),導(dǎo)通的VS兩端電壓降很小,迫使張弛振蕩器停止工作。當(dāng)交流電壓過零瞬間,可控硅VS被迫關(guān)斷,張弛振蕩器得電,又開始給電容器C充電,重復(fù)以上過程。這樣,每次交流電壓過零后,張弛振蕩器發(fā)出第一個(gè)觸發(fā)脈沖的時(shí)刻都相同,這個(gè)時(shí)刻取決于RP的阻值和C的電容量。調(diào)節(jié)RP的阻值,就可以改變電容器C的充電時(shí)間,也就改變了第一個(gè)Ug發(fā)出的時(shí)刻,相應(yīng)地改變了可控硅的控制角,使負(fù)載RL上輸出電壓的平均值發(fā)生變化,達(dá)到調(diào)壓的目的。

雙向可控硅的T1和T2不能互換。否則會(huì)損壞管子和相關(guān)的控制電路。雙向可控硅:普通可控硅(VS)實(shí)質(zhì)上屬于直流控制器件。要控制交流負(fù)載,必須將兩只可控硅反極性并聯(lián),讓每只SCR控制一個(gè)半波,為此需兩套獨(dú)立的觸發(fā)電路,使用不夠方便。雙向可控硅是在普通可控硅的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的,它不僅能代替兩只反極性并聯(lián)的可控硅,而且僅需一個(gè)觸發(fā)電路,是目前比較理想的交流開關(guān)器件。其英文名稱TRIAC即三端雙向交流開關(guān)之意。構(gòu)造原理盡管從形式上可將雙向可控硅看成兩只普通可控硅的組合,但實(shí)際上它是由7只晶體管和多只電阻構(gòu)成的功率集成器件。小功率雙向可控硅一般采用塑料封裝,有的還帶散熱板,外形如圖l所示。典型產(chǎn)品有BCMlAM(1A/600V)、BCM3AM(3A/600V)、2N6075(4A/600V),MAC218-10(8A/800V)等。大功率雙向可控硅大多采用RD91型封裝。雙向可控硅的主要參數(shù)見附表。雙向可控硅的結(jié)構(gòu)與符號(hào)見圖2。它屬于NPNPN五層器件,三個(gè)電極分別是T1、T2、G。因該器件可以雙向?qū)ǎ食T極G以外的兩個(gè)電極統(tǒng)稱為主端子,用T1、T2。表示,不再劃分成陽(yáng)極或陰極。其特點(diǎn)是,當(dāng)G極和T2極相對(duì)于T1,的電壓均為正時(shí),T2是陽(yáng)極,T1是陰極。反之,當(dāng)G極和T2極相對(duì)于T1的電壓均為負(fù)時(shí),T1變成陽(yáng)極,T2為陰極。雙向可控硅的伏安特性見圖3,由于正、反向特性曲線具有對(duì)稱性,所以它可在任何一個(gè)方向?qū)āz測(cè)方法下面介紹利用萬(wàn)用表RXl檔判定雙向可控硅電極的方法,同時(shí)還檢查觸發(fā)能力。1.判定T2極由圖2可見,G極與T1極靠近,距T2極較遠(yuǎn)。因此,G-T1之間的正、反向電阻都很小。在盼Xl檔測(cè)任意兩腳之間的電阻時(shí),只有在G-T1之間呈現(xiàn)低阻,正、反向電阻僅幾十歐,而T2-G、T2-T1之間的正、反向電阻均為無窮大。這表明,如果測(cè)出某腳和其他兩腳都不

通,就肯定是T2極。,另外,采用TO-220封裝的雙向可控硅,T2極通常與小散熱板連通,據(jù)此亦可確定T2極。2.區(qū)分G極和T1極(1)找出T2極之后,首先假定剩下兩腳中某一腳為Tl極,另一腳為G極。⑵把黑表筆接T1極,紅表筆接T2極,電阻為無窮大。接著用紅表筆尖把T2與G短路,給G極加上負(fù)觸發(fā)信號(hào),電阻值應(yīng)為十歐左右(參見圖4(a)),證明管子已經(jīng)導(dǎo)通,導(dǎo)通方向?yàn)門1一T2。再將紅表筆尖與G極脫開(但仍接T2),若電阻值保持不變,證明管子在觸發(fā)之后能維持導(dǎo)通狀態(tài)(見圖4(b))。把紅表筆接T1極,黑表筆接T2極,然后使T2與G短路,給G極加上正觸發(fā)信號(hào),電阻值仍為十歐左右,與G極脫開后若阻值不變,則說明管子經(jīng)觸發(fā)后,在T2一T1方向上也能維持導(dǎo)通狀態(tài),因此具有雙向觸發(fā)性質(zhì)。由此證明上述假定正確。否則是假定與實(shí)際不符,需再作出假定,重復(fù)以上測(cè)量。顯見,在識(shí)別G、T1,的過程中,也就檢查了雙向可控硅的觸發(fā)能力。如果按哪種假定去測(cè)量,都不能使雙向可控硅觸發(fā)導(dǎo)通,證明管于巳損壞。對(duì)于1A的管子,亦可用RX10檔檢測(cè),對(duì)于3A及3A以上的管子,應(yīng)選RXl檔,否則難以維持導(dǎo)通狀態(tài)。典型應(yīng)用雙向可控硅可廣泛用于工業(yè)、交通、家用電器等領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓、電機(jī)調(diào)速、交流開關(guān)、路燈自動(dòng)開啟與關(guān)閉、溫度控制、臺(tái)燈調(diào)光、舞臺(tái)調(diào)光等多種功能,它還被用于固態(tài)繼電器(SSR)和固態(tài)接觸器電路中。圖5是由雙向可控硅構(gòu)成的接近開關(guān)電路。R為門極限流電阻,JAG為干式舌簧管。平時(shí)JAG斷開,雙向可控硅

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