可控硅对于电子工程师来说是个重要的元器件,对于一个合格的硬件工程师来说,必须要掌握可控硅的电路设计。可控硅在各个领域应用广泛,常用来做各种大功率负载的开关。相比继电器,可控硅有很多优势,继电器在开关动作时会产生电火花,在某些工业环境由于安全原因这是不允许的,继电器在开关动作时触点会发生氧化,影响继电器寿命,而这些缺点可控硅都能避免。
可控硅(Silicon Controlled Rectifier) 简称SCR,可控硅分单向可控硅和双向可控硅两种。双向可控硅也叫三端双向可控硅,简称TRIAC。双向可控硅在结构上相当于两个单向可控硅反向连接,这种可控硅具有双向导通功能。其通断状态由控制极G决定。在控制极G上加正脉冲(或负脉冲)可使其正向(或反向)导通。
单向可控硅工作原理
单向可控硅的电流是从阳极流向阴极,交流电过零点时截止,如图交流电的负半周时,单向可控硅是不导通的,在正半周时,只有控制栅极有触发信号时,可控硅才导通。
双向可控硅工作原理
双向可控硅的电流能从T1极流向T2极,也能从T2极流向T1极,交流电过零点时截止,只有控制栅极有正向或负向的触发信号时,可控硅才导通。
接下来我们讲解下使用最多的双向可控硅的一些电路应用
上图中,VCC和交流电其中一端是连接在一起的,这样就能保证单片机是输出低电平信号触发可控硅,这样可控硅触发工作在第3象限,上图中避免可控硅触发使用高电平信号,避免可控硅触发工作在第4象限。若运行在第4象限由于双向可控硅的内部结构,门极离主载流区域较远,导致需要更高的Igt,由 Ig 触发到负载电流开始流动,两者之间迟后时间较长,导致要求 Ig 维持较长时间,另外一个缺点就是会导致低得多的 dIT/dt 承受能力,若控制负载具有高dI/dt 值(例如白炽灯的冷灯丝),门极可能发生强烈退化。查阅可控硅BT134器件规格书,也明确说明触发工作在第4象限,Igt需求更大。如下图:
上图第1个主要是应用在低端类的产品上,常见的如家里的吊扇,第2个图加入单片机控制。
其它应用场合
电路的触发方式
栅极电路
双向可控硅的应用主要事项:
1.在使用双向可控硅控制电感性负载时,一般要如下面所示连接 RC 吸收电路 , 以抑制施加到器件上的 (dv/dt)c 值。当用双向可控硅开关控制电感性负载(L型负载)时,如在转换期间由于电流延迟的作用, (di/dt)c 和 (dv/dt)c 超过某个值时,可能因为(di/dt)c 和(dv/dt)c,不需栅极信号而进入导通状态,从而变得无法控制。
RC吸收回路的参数取值,我们常见的马达控制场合,常用的选取电阻为100欧。电容为0.01uF. 而起到噪声保护的作用的,接在控制栅极和T1之间的电阻和电容的参数,可根据环境和EMC效果酌情选取。
2.根据公式,Rg=(Vcc-Vgt)/Igt(Rg为栅极电阻),栅极电流和栅极电阻Rg和栅极电压Vgt有关。
栅极触发电流Igt的设定,应有足够的余量,要充分考虑低温最恶劣的环境,可控硅的结温特性确定了在低温下的Igt需求更大,如下图:
栅极触发电流Igt的设定,还需考虑栅极触发电压Vgt的因素,同样,也要充分考虑低温最恶劣的环境,可控硅的结温特性确定了在低温下的Vgt需求更大,如下图:
考虑以上两个因素,设定栅极电流Igt时,通常按规格书要求的1.5倍来设定,故栅极电阻Rg的选取需谨慎选取。
3.当遇到严重的、异常的电源瞬间过程, T2上 电压可能超过 VDRM,此时 T2 和 T1 间的漏电将达到一定程度,并使双向可控硅自发导通,
若负载允许高涌入电流通过,在硅片导通的小面积上可能达到极高的局部电流密度。这可能导致硅片
的烧毁。白炽灯、电容性负载和消弧保护电路都可能导致强涌入电流。由于超过 VDRM 或 dVD/dt 导致双向可控硅导通,这不完全威胁设备安全。而是随之而来的 dIT/dt 很可能造成破坏。原因是,导通扩散至整个结需要时间,此时允许的 dIT/dt 值低于正常情况下用门极信号导通时的允许值。假如过程中限制 dIT/dt 到一较低的值,双向可控硅可能可以幸存。为此,可在负载上串联一个几μH的不饱和(空心)电感。如上述解决方法不能接受,或不实际时,可代替的方法是增加过滤和箝位电路,防止尖峰脉冲到达双向可控硅。使用压敏电阻器,作为“软”电压箝位器,跨接在电源上, 压敏电阻上游增加电感、电容滤波电路。
4.通常具有高初始涌入电流的常见负载是白炽灯,冷态下电阻低。对于这种电阻性负载,若在电源电压的峰值开始导通, dIT/dt 将具有最大值。假如这值有可能超过双向可控硅的 dIT/dt 值,最好在负载上串联一只几μH 的电感加以限制,或串联负温度系数的热敏电阻。需要注意的是,电感在最大电流下不能饱和。一旦饱和,电感将跌落,再也不能限制 dIT/dt。无铁芯的电感符合这个条件。一个更巧妙的解决办法是采用零电压导通,不必接入任何限制电流的器件。电流可以从正弦波起点开始逐渐上升。
注意:零电压导通只能用在电阻性负载。对于电感性负载,由于电压和电流间存在相位差,使用这方法会引起“半波”或单极导通,可能使电感性负载饱和,导致破坏性的高峰电流,以及过热。
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