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可控硅電源(可控硅工作原理及參數詳解)

可控硅全稱可控硅，縮寫為SCR，或晶閘管，是一種三PN結四層的大功率半導體器件。可控硅(SCR)體積小，結構簡單，功能強大。它可以起到多種作用，如變頻、整流、逆變、無觸點開關等。因此，它被廣泛應用于各種電子產品中，如調光燈、照相機、無線電遙控器、音響等。

其示意符號如下圖所示:

(資料圖片僅供參考)

從SCR的電路符號可以看出，它和二極管一樣是單向導通的器件，但是它有一個控制電極G，這使得SCR具有和二極管完全不同的工作特性。可控硅整流器(SCR)是一種能夠處理高電壓和大電流的大功率器件。隨著設計技術和制造技術的發展，其容量越來越大。

SCR的基本結構如下圖所示:

具有由三個PN結(J1、J2、JBOY3樂隊)組成的四層P1-N1-P2-N2結構的半導體器件具有三個外部電極。從最外面的P型半導體材料引出的電極作為陽極A，從中間的P型半導體材料引出的電極稱為控制電極G，從最外面的N型半導體材料引出的電極稱為陰極k，可以等效為如圖所示的兩個三極管電路。

我們來看看SCR的工作原理:

如下圖所示，在初始狀態下，電壓VAK施加在晶閘管的A端和K端。此時，三極管Q1和Q2都處于截止狀態，兩個晶體管的位置互不侵犯。

此時，在A極和K極之間施加VAK電壓，更大允許電壓VAK為關態重復峰值電壓VDRM(峰值重復關態電壓)和對應的關態重復峰值電流IDRM(峰值重復關態電流)。

如下圖所示，電壓VGK施加到G、K極后，Q2的發射極結由于正向偏置而導通，從而產生基極電流IB2。此時，晶閘管陽極電流IA為0，Q1的基極電流IB1也為0，并且電阻器R2上沒有電壓降。因此，Q2的集電極-發射極電壓VCE2為VAK，通常遠高于VBE2。即使測試數據手冊中的參數，VAK也至少是6V，而在實際應用中，VAK將是幾百v。因此，晶體管Q2的發射極結正向偏置，集電極結反向偏置，開始處于放大狀態。

只有在G和K上加上直流電壓后，晶閘管才能導通。這個觸發電壓的最小值稱為柵極觸發電壓VGT(Gate Trigger Voltage)，它是PN結的結電壓(不是電池電壓VGK)。此時，流過柵極的電流稱為柵極觸發電流IGT(柵極觸發電壓)。

剛剛進入放大狀態(微導通)的晶體管Q2放大基極電流IB2，對應的集電極電流為IC2，數值為(IB2×β2)。雖然放大了β2倍，但此時IC2還是比較小，所以IA和IB1也比較小(但不再為零)。電阻R2中也有小電流，可視為完整的電流回路。然而，此時Q2的收藏家

同時，晶體管Q1的發射極總是VAK(更高電壓)，集電極總是處于較低電壓(VBE2)。只要給基極設置一個合適的電壓，它就可以進入放大狀態，所以它一直在徘徊，休眠備用。Q2集電極電流IC2的出現使晶體管Q1有機化。

晶體管Q2在微導通狀態下形成的電路使晶體管Q1基極缺乏的電壓一步到位，時機終于成熟，所以晶體管Q1剛剛進入放大狀態(微導通)！因為IB1和IC2相同，所以Q1放大的IB1的集電極電流IC1 =(ib2×β2×β1)，比IC2高β1倍。

晶體管Q1放大的集電極電流IC1無處可逃，只好鉆到晶體管Q2的基極(不會到電阻R1這邊來，因為電壓VGK肯定比VBE2高，水下去了)，IC1變成IB2，晶體管Q2的基極電流IB2換成(IB2×β2×β1)，增加了(β2×β1)倍。

俗話說，人多好辦事。這個較大的基極電流IB2被晶體管Q2第二次放大。此時IC2為(IB2×β2×β1×β2)，然后被兩個晶體管正反饋反復放大，周而復始。

在這個過程中，晶體管Q2的集電極-發射極壓降越來越小，陽極電流IA的電流越來越大。最后Q2飽和(Q1也不甘示弱，適當保持節奏)，最后變成下圖所示:

Q1和Q2全導通時(晶閘管開通)，A和K之間的壓降很小，實際上是Q1發射極結電壓VBE1+ Q2集電極-發射極飽和電壓VCE2，稱為正向導通電壓VTM(Forward On-State Voltage)。

可以看出，VAK的電壓值最終加到了電阻R2上，整個過程就是一個由電壓VGK引起的“血案”。電阻器R2上沒有電壓降，在VGK電壓觸發晶閘管后，VAK電壓全部加到電阻器R2上。

晶閘管全通后，流過A、K極的電流就是通態電流IT(通態電流)。在實際應用中，VAK通常為交流電壓(如220VAC)，因此該參數常被標注為通態平均電流IT(RMS)，它是指晶閘管能連續通過的工頻正弦半波電流(在一個周期內)的平均值。此時流過G極和K極的電流為柵極電流IG(柵極電流)，該電流不應超過更大峰值柵極電流IGM(正向峰值柵極電壓)。

當VAK是交流電源的負半周時，晶閘管被阻斷，因為A極和K極被施加了反向電壓。此時允許施加的更大電壓稱為峰值重復反向阻斷電壓VRRM(峰值重復反向阻斷電壓)。由于晶閘管的電阻不是無窮大，此時的電流稱為峰值重復反向阻斷電流IRRM(峰值重復反向阻斷電流)。

這兩個值和之前介紹的IDRM和VDRM是一樣的，只不過IDRM和VDRM是在G極關斷、可控硅阻斷的情況下測得的，而IRRM和VRRM是在可控硅A、K極反向電壓下測得的。

如果在晶閘管的陽極A和陰極K之間加一個反向電壓，晶閘管起初會處于反向阻斷狀態，只有很小的反向漏電流流過。當反向電壓增加到一定值時，反向漏電流急劇增加。此時，相應的電壓稱為峰值非重復電壓VR *** (峰值非重復電壓)。

我們只是用R2(和R1)作為一個象征性的限流電阻。其實R2可以是一個負載，比如一個燈泡，如下圖所示:

當G、K極不加直流電壓時，A、K斷開，燈泡不亮。

當直流電壓加在G和K上時，A和K之間的電壓就相當于短路，于是所有的VAK電壓都加在燈泡上，使其發光。

地盤之爭引發的“血案”結束了！

但是還是有下面的！

如果在A和K之間充分導通之后，我們拿掉電壓VGK以試圖使燈泡熄滅，如下所示:

不幸的是，它沒有成功，但燈泡仍然走在前面，發出耀眼的光嘲笑我們，因為VGK在這個時候是無用的。盡管沒有VGK，晶閘管內部仍然會有三極管電流的正反饋來保持晶閘管導通。

當G門打開時，使晶閘管保持導通狀態所需的最小正向電流稱為保持電流IH(保持電流)。還有一個鎖存電流IL(Latch current)，它是在晶閘管從關斷狀態切換到導通狀態并且G極觸發信號被移除之后保持晶閘管導通所需的最小電流。對于同一個晶閘管，IL通常是IH的幾倍。

導演，我不明白這兩者的區別！其實這和數字電路中的電平差不多，如下圖所示:

如果一個低電平要被對方認為是高電平，就必須超過VOH(上圖中的4.5V)。這個低電平一旦變成高電平，只需要不低于VIH(上圖3.5V)就可以繼續被對方認為是高電平。維持這種高水平的成本較低。

那么有什么辦法可以讓燈泡熄滅呢？

有一個明顯的辦法，就是把電流IA降低到不足以維持內部正反饋過程的水平，晶閘管自然會被阻斷，燈泡也會熄滅，也就是VAK電壓會降低。地球人都知道，雖然你的VAK是個大老板，但我得留些錢給你買路！只要降低電壓VAK，使IA小于IH，晶閘管就關斷(或者對A、K極施加反向電壓，實際上與降低電壓VAK相同)。

但問題是，很多時候，VAK的電壓不會那么容易(主動)下降。我是個好幫手，為什么要下臺？我有的是錢！

狡兔死，走狗烹，電壓VGK知道真相。他還早早買了一個簡單的辦法，把燈泡從“門極關斷晶閘管”熄滅。丫的，我為你立下了汗馬功勞，不讓我當王，只好把你拆了。如下圖所示:

電壓VGK反接G、K極后，晶體管Q2關斷，然后晶閘管截止，但仍然失效，因為晶閘管導通后處于深度飽和狀態，即使施加反向電壓也無效。

如果反向電壓增加到一定值，反向漏電流急劇增加。此時對應的電壓稱為反向峰值柵壓IGM(反向峰值柵壓)，使用時不應超過此值。

上面我們討論的是常用的P柵陰極控制的SCR，還有一種不常用的N柵陽極控制的SCR。其示意符號如下圖所示。兩者原理完全相同，讀者可以自行分析。

下圖所示的典型SCR應用電路可用于調節燈泡的亮度。電路輸入的220V交流電壓經橋式整流得到脈沖DC電壓VP，此時晶閘管VT處于阻斷狀態，電路不導通；

由于脈沖DC電壓VP通過可調電阻RP1和R1給電容器C1充電，當電容器C1上的電壓足以觸發晶閘管VT時，晶閘管導通后負載電路被解除阻塞，從而點亮燈泡，如下圖所示:

調節可調電位器RP1可以控制電容C1的充電速度(充電常數越大，充電速度越慢)，從而可以相應地調節施加在燈泡上的交流電壓的平均值，從而調節燈泡的高度。

關鍵詞： 可控硅

責任編輯：Rex_30