理解可控硅的工作原理和多种功能
发布时间：2023-01-06
来源：罗姆半导体社区 (https://rohm.eefocus.com)
标签：罗姆ROHM可控硅
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可控硅（Silicon Controlled Rectifier），简称SCR，是一种高功率半导体器件，具有四层结构和三个PN结。它通常由两个晶闸管反向连接而成。可控硅具有体积小、效率高和寿命长等优点，在自动控制系统中可以作为大功率驱动器件，通过使用小功率控制信号实现对大功率设备的控制。它在交直流电机调速系统、调功系统和随动系统中得到广泛应用。
从外形上来区分，可控硅主要有螺旋式、平板式和平底式等三种类型，其中较常见的是螺旋式。可控硅不仅可以用作整流器件，还可以用于无触点开关的快速接通或切断，实现直流电变成交流电的逆变，以及将一种频率的交流电变成另一种频率的交流电等功能。与其他半导体器件一样，可控硅具有体积小、效率高、稳定性好和工作可靠等优势。它的问世使得半导体技术从弱电领域进入了强电领域，并成为工业、农业、交通运输、军事科研乃至商业和民用电器等领域中受欢迎的元件。目前，可控硅在自动控制、机电应用、工业电气和家电等方面都得到广泛应用。
接下来我们解析一下可控硅的工作原理：
可控硅有三个极（阳极A、阴极C和控制极G），管芯是由P型导体和N型导体交迭组成的四层结构，共有三个PN结。与只有一个PN结的硅整流二极管相比，可控硅的结构完全不同。可控硅的四层结构以及控制极的引入为其具有"以小控大"的优秀控制特性奠定了基础。在使用可控硅时，只需对控制极加上非常小的电流或电压，就可以控制较大的阳极电流或电压。目前，已经成功制造出电流容量达几百安培甚至上千安培的可控硅元件。通常情况下，5安培以下的可控硅被称为小功率可控硅，而50安培以上的可控硅则称为大功率可控硅。
可控硅的工作原理及应用
可控硅的工作原理可以通过一个等效电路图来描述。我们可以将可控硅从阴极向上数的第一、二、三层看成是一个NPN型晶体管，而第二、三、四层则组成另一个PNP型晶体管。第二和第三层在两个晶体管之间共用。当在阳极和阴极之间施加正向电压E，并在控制极G和阴极C之间输入一个正的触发信号（类似于BG2的基极-射极间），BG2将产生基极电流Ib2。经过放大，BG2的集电极电流IC2会放大β2倍。由于BG2的集电极与BG1的基极相连，IC2又成为BG1的基极电流Ib1。BG1再通过放大将Ib1（或Ib2）放大β1倍的集电极电流IC1返回给BG2的基极。这样循环放大，直到BG1和BG2完全导通。对于可控硅来说，这个过程是“一触即发”的，即只要触发信号加到控制极，可控硅就会立即导通。导通的时间主要取决于可控硅的性能。
一旦可控硅被触发导通，由于循环反馈的作用，流入BG2基极的电流不仅仅是初始的Ib2，而是经过BG1和BG2放大后的电流（β1β2Ib2）。这个电流远大于Ib2，足以维持BG2的持续导通。即使触发信号消失，可控硅仍然保持导通状态，只有当断开电源E或降低E的输出电压，使得BG1和BG2的集电极电流小于维持导通的最小值时，可控硅才能关断。当然，如果E的极性反向，BG1和BG2受到反向电压的作用会处于截止状态。这时，即使输入触发信号，可控硅也无法工作。相反地，如果将E接成正向，而触发信号为负值，可控硅也无法导通。另外，如果不加触发信号，而正向阳极电压超过一定值，可控硅也会导通，但这已经属于非正常工作情况。
可控硅通过触发信号（小触发电流）来控制导通（可控硅中的大电流），这种可控特性是与普通硅整流二极管的重要区别。
由于可控硅仅具有导通和关断两种工作状态，因此它具备开关特性，但需要一定的条件才能实现转换。这些条件在表1中列出。
下面举几个应用例子：
直流触发电路：如图2所示，是电视机中常见的过压保护电路。当E+电压过高时，A点电压也会升高。当A点电压高于稳压管DZ的稳压值时，稳压管DZ将导通，而可控硅D受到触发信号导通，从而短路E+，使保险丝RJ熔断，起到过压保护的作用。
2、相位控制电路：
相位控制电路是一种交流触发电路，如下图所示。该电路利用RC回路来控制触发信号的相位。当电阻（R）较小时，RC时间常数较短，触发信号的相移（A1）也较小，从而使负载获得更大的电功率；而当电阻（R）较大时，RC时间常数较长，触发信号的相移（A2）也较大，导致负载获得较少的电功率。这种典型的电功率无级调整电路在日常生活中广泛应用于各种电气产品中。
可控硅是一种电子元件，具有多种主要参数。
额定通态平均电流：指在特定条件下，可控硅能够连续通过的50赫兹正弦半波电流的平均值。
正向阻断峰值电压：当控制极开路且未加触发信号时，可控硅可以承受的重复正向峰值电压。超过这个参数值可能导致损坏。
反向阴断峰值电压：当可控硅处于反向关断状态时，可以承受的重复反向峰值电压。使用时应避免超过该参数值。
控制极触发电流：在规定的环境温度下，通过给阳极和阴极施加一定电压，使可控硅从关断状态转变为导通状态所需的最小控制极电流和电压。
维持电流：在规定的温度下，当控制极断路时，可控硅保持导通所需的最小阳极正向电流。
利用可控硅技术对照明系统进行控制具有许多优点，如快速调节电压、高精度、可实时分时段调整，具有稳压能力。此外，可控硅元件相对较小、轻巧且成本较低。然而，该调压方式存在一个缺陷，即由于斩波的影响，输出电压无法实现正弦波，并且可能产生大量谐波，对电网系统造成谐波污染。因此，在照明系统中使用可控硅技术进行照度控制时，需要添加滤波设备来有效降低谐波污染。
近年来，出现了许多新型可控硅元件，如适用于高频应用的快速可控硅，可以通过正或负触发信号控制两个方向导通的双向可控硅，以及通过正触发信号导通和负触发信号关断的可控硅等。这些新型可控硅元件提供了更多的选择和灵活性。
可控硅调光器是目前在舞台照明和环境照明领域中主流的设备。
在照明系统中使用的各种调光器实际上是交流调压器。传统的调光方式是通过调节电压或电流的幅度来实现，例如使用变压器或变阻器。这种方式可以减小电压波形的幅值，从而使灯光变暗。虽然改变了正弦交流电的幅值，但并未改变其正弦波形的本质。
与传统的变压器和电阻器相比，可控硅调光器采用完全不同的调光机制。它使用相位控制方法来实现调压或调光。对于常见的反向阻断型可控硅，当在阳极施加正向电压的同时加上适当的正向控制电压时，可控硅导通。即使在撤去门极控制电压后，它仍然会保持导通状态，直到施加反向阳极电压或阳极电流小于可控硅自身的维持电流时才关断。可控硅调光器利用这一特性实现前沿触发相位控制调压。在正弦波交流电过零后的某一时刻，通过施加触发脉冲使可控硅导通。根据可控硅的开关特性，导通状态将持续到正弦波的正半周结束。因此，在正弦波的正半周内，可控硅不导通的角度范围（0~wt1）被称为控制角a，而导通的角度范围（wt1~p）被称为导通角j。类似地，在负半周也使用另一个可控硅来实现导通。通过控制触发脉冲的施加时间（或相位），可以改变导通角j（或控制角a）的大小。导通角越大，调光器输出的电压越高，灯光就越亮。由于正弦波被切割，调光器输出的电压波形已经不再是正弦波，除非调光器处于全导通状态（导通角为180°或p）。正因为波形被破坏，这可能会给电网带来干扰等问题。
良好的调光设备应采取适当的措施，努力降低使用可控硅技术后产生的干扰。
总结：
可控硅，也称为晶闸管，是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件。它具有体积小、结构相对简单和功能强大等特点，是常用的半导体器件之一。可控硅被广泛应用于各种电子设备和产品中，用于可控整流、逆变、变频、调压、无触点开关等功能。调光灯、调速风扇、空调、电视机、冰箱、洗衣机、照相机、音响系统、定时器、遥控器、摄像机以及工业控制等领域都广泛使用了可控硅器件。
关键词：罗姆电源管理
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