可控硅基本知识

一、可控硅的结构和符号

1、可控硅也称晶闸管，它是一个具有三个PN结的四层结构，如下图(a)所示：

它有三个电极，分别称为阳极(A)、阴极(K)和控制极(G)。

2、可控硅的图形符号如上图(b)。

二、可控硅的工作状态

可控硅和二极管一样，有两种工作状态：导通和截止。

1、截止状态

截止又称反向阻断，条件是施加反向电压，即它的阳极与电源的负极相连、阴极与电源的正极相连。

2、导通状态

可控硅导通的条件，除了像二极管一样必须具有足够大的正向电源以外，还必须在控制极与阴极基之间施加一个足够大的正向触发电压(称触发信号)。可控硅尚未导通时的状态称正向阻断。     

三、可控硅的工作原理

1、根据可控硅的结构，可以把它看成由NPN型晶体管T₂和PNP型晶体管T₁所组成。如下图所示：

2、可控硅阳极加上正向电压U_A、控制极加上正向电压U_G时，如下图所示：

晶体管T₂处于正向偏置，由U_G产生的控制极电流I_G(即T₂管的基极电流I_b₂)，T₂的集电极电流I_c₂=β₂I_G 。I_c₂既是T₂管的集电极电流又是T₁管的基极电流。而T₁管的集电极电流I_c₁=β₁I_c₂=β₁β₂I_G。如不计T₁管的基极电流，则T₁管的发射极电流I_e₁≈I_c₁=β₁β₂I_G。这一I_e₁又反过来作为T₂管的基极电流(此时I_b₁=I_e₂+I_c)，再一次放大。这样反复循环，形成了强烈的正反馈，使两个晶体管很快达到饱和，可控硅导通。可控硅导通后，A、K间的压降(管压降)很小，电源电压几乎全部作用在负载R上，可控硅中就有负载电流通过。    

由于I_e₁>>I_G，所以可控硅一经导通，它的导通状态完全依靠自身的正反馈作用来维持，即使I_G消失，可控硅仍处于导通状态。

四、可控硅的特性          
1、可控硅的特性主要是指它的伏安特性，即当I_G为某定值时，阳极电压U_A与阳极电流I_A之间的关系曲线。下图(a)所示是I_G=0时的伏安特性。

这条曲线说明：当阳极为正，且U_A较低时，三个PN结中的T₂处于反偏，此时只有很小的电流通过管子，称正向漏电流，相当于二极管反向连接时的反向饱和电流。因此当阳极电流(正向电流)增加时，它基本保持不变，此时可控硅处于正向阻断状态。但当阳极电压增加到某一值时，漏电流突然大增，可控硅由阻断状态突然导通，阳极电流大增(其值取决于负载电阻R的大小)，而管压降仅1V左右。可控硅从正向阻断突然转向导通时的阳极电压称正向转折电压U_BO。可控硅导通后逐渐减小正向电压，正向电流随之减小。当电流减小到某值时，可控硅从导通状态转为阻断状态。能保持可控硅继续导通的最小正向电流称维持电流I_H。当正向电流     <I< span>_H时，可控硅正向阻断。          </I<>

2、当可控硅加上反向电压时(A接电源负极)，J₁、J₃两个PN结反偏，可控硅处于反向阻断状态，此时通过可控硅的电流称反向漏电流。由于可控硅导通需要两个条件，因此在第一个条件未满足的情况下(可控硅反偏)，即使加上I_G，它也不会导通。但当反向电压增加到某一值时，反向电流急剧增大。这种情况称为可控硅的反向击穿，与之对应的电压称为反向击穿电压U_BR。

3、上图(b)所示的曲线是在不同I_G时的伏安特性，从曲线可以看出，不同I_G时的差异仅在于正向转折电压。I_G越大，正向转折电压越低。

4、以上Ⅰ_G=0时的导通是不允许的，它可能导致管子的损坏，而我们所指的导通是在正向电压作用下，Ⅰ_G为某一定值(足够大)的导通，是正常情况下的导通。

五、可控硅的主要参数

1、额定正向平均电流I_F

在环境温度≯40℃和标准散热及全导通(交流电使阳极为正的半个周期内，可控硅均处于导通状态，称全导通)条件下，可控硅可以持续通过的工频正弦半波电流平均值，称额定正向平均电流。通常所说的若干安培(A)的可控硅，这若干安培就是指这个电流(I_F)；

2、正向阻断峰值电压P_FV

在控制极断开和正向阻断的条件下，可重复加于可控硅的正向峰值电压称正向阻断峰值电压，规定它比正向转折电压U_BO小100V。通常所说的可控硅耐压，就是指这个电压(P_FV)。    

3、反向阻断峰值电压P_RV

在控制极断开时，可以重复加在可控硅元件上的反向峰值电压，称反向阻断峰值电压。规定它比反向击穿电压小100V。P_RV和P_FV一般相等，统称“可控硅的峰值电压”。

除上述三个主要参数外，还有控制极触发电压、控制极触发电流、维持电流、正反向平均漏电流等。

六、可控硅的常见应用

可控硅用途非常广泛，常见的应用有以下几种:

1、可控硅整流

下图(a)是单相半波可控硅整流电路。与二极管整流电路相比，其输出电压的大小，可以用改变控制极触发信号的输入时刻来加以改变。即改变下图(b)中的α角。α角称控制角，图中的β角称导通角。控制角表示可控硅在正向电压下不导通的范围，而导通角则表示正向电压下导通的范围。单相半波可控整流电路的电压与电流波形如下图(b)所示。

   

2、可控硅开关

在下图所示的电路中，当可控硅控制极未加控制信号时，可控硅处于阻断状态，电路不通。当控制极加上触发信号后，可控硅导通，电路中就有电流通过。可见此处可控硅起着开关的作用，称为可控硅开关。但是在这个电路中，可控硅一旦导通就无法关断，所以还要另设使可控硅关断的辅助电路。

          

3、可控硅交流调压器

1）下图(a)是单相可控硅调压电路。其中SCR₁和SCR₂可分别在交流电的正、负半周导通。而是否能导通则取决于控制极有无触发信号和触发信号加入的时间(即控制角α的大小)。

2）改变控制角大小的控制方法称移相控制；而以有无触发信号进行控制的方法称零位控制，两种控制所输出交流电压的波形分别如下图(b)、(c)所示。    

3）控制角越大，输出交流电压就越小；在一个工作周期内，不导通的周期数越多，输出交流电压也就越小。

七、可控硅的常用保护

可控硅元件的主要弱点是承受过电流和过电压的能力很差，即使短时间的过电流和过电压，也可能导致可控硅的损坏，所以必须对它采用适当的保护措施。

1、过电流保护

可控硅出现过电流的主要原因是过载、线路短路和误触发。过电流保护有以下几种:

1）快速熔断器

快速熔断器中的熔丝是银质的，只要选用适当，在同样的过电流倍数下，它可以在可控硅损坏前先熔断，从而保护了可控硅。

2）过电流继电器

当电流超过过电流继电器的整定值时，过电流继电器就会动作，切断被保护电路。但由于继电器动作到切断电路需要一定的时间，所以只能用作可控硅的过载保护。

3）过载截止保护    

利用过电流的信号将可控硅的触发信号后移，或使可控硅的导通角减小，或干脆停止触发等保护可控硅的方法称过载截止保护。

2、过电压保护

过电压可能导致可控硅的击穿，其主要原因是由于电路中电元件的通断、熔断器熔断或可控硅在导通与截止间的转换，有时也可能是因遭受雷击。对过电压保护可采用以下两种措施:

1）阻容保护

阻容保护就是电阻和电容串联后，接在可控硅电路中的一种过电压保护方式。其实质是利用电容器两端电压不能突变和电容器的电场储能以及电阻是耗能元件的特性，把过电压的能量变成电场能量储 存在电场中，并利用电阻把这部分能量消耗掉。

2）硒堆保护

硒堆由硒整流片叠成(用CP表示)。当硒堆上的电压超过规定值时，硒堆击穿，达到抑制过电压对可控硅的冲击。过电压消失后，硒堆由击穿状态恢复到正常。