電路設計，可控硅電路如何觸發的方法原理介紹

在設計可控硅（SCR）觸發電路時，可控硅（SCR）整個區域的運行很大程度上取決于其觸發方式。

在進行電路設計時，需要特別注意確保沒有誤觸發，同時確保晶閘管在需要時觸發。

在可控硅（SCR）觸發中，包括柵極驅動要求（如果使用柵極觸發）、觸發時間（需要保持所施加的觸發激勵時間以使電路鎖存）等各個方面都很重要，各種參數的重要性取決于所使用的可控硅（ SCR ）觸發形式。

可控硅（SCR）觸發方法總結

可控硅的觸發主要取決于溫度、供電電壓、柵極電流等不同的變量。當向可控硅施加電壓時，如果陽極端可以與陰極相關+ve，則可控硅變成轉發偏向。因此該晶閘管進入正向阻斷狀態。

可控硅電路

以下就是常見的可控硅觸發方法，接下來會對每個可控硅觸發原理進行詳細講解。

門觸發

dv/dt 觸發

溫度觸發（熱觸發）

光觸發

正向電壓觸發

直流柵極觸發

交流柵極觸發

脈沖觸發

阻力觸發

RC 觸發

門觸發

這種形式的可控硅（SCR）觸發是在使用的不同電路中最常見的一種。

對于大多數應用來說，它簡單、可靠、高效且易于實施，可以應用簡單的觸發信號，并在需要時進行適當的處理。這意味著可以使用其他電子電路來獲得合適的觸發信號，然后將其應用于可控硅（SCR）。

對于要使用的柵極可控硅（SCR）觸發，可控硅（SCR）必須在其擊穿電壓以下運行，并且還允許適當的安全裕度以適應可能發生的任何瞬變，否則可能會發生正向電壓或擊穿觸發。

開啟可控硅（SCR），柵極和陰極之間的正柵極電壓，會產生柵極電流，其中電荷被注入器件的內部 p 層，這有效地降低了發生正向擊穿的電壓。

可以看出，柵極電流決定了可控硅切換到其導通狀態的正向電壓。柵極電流越高，正向擊穿電壓越低。有許多應用觸發信號的簡單方法，最簡單的安排之一如下圖所示。

顯示附加柵極電阻的晶閘管電路

可以看出有兩個電阻。第一個是 R1，它用于將柵極電流限制在可接受的水平。選擇該電阻以提供足夠的電流來觸發可控硅（SCR），同時將其保持在設備的安全范圍內，它可以使用設備額定值和歐姆定律輕松計算。

第二個電阻 R2 是柵極陰極電阻，有時也表示為 RGK，包含它是為了防止虛假觸發。

電阻的作用可以從可控硅（SCR） 的兩個晶體管類比中看出，它表明柵極和陰極之間的低外部電阻繞過了柵極結周圍的一些電流，因此，需要更高的陽極電流來啟動和保持導通。

特別發現，低電流高靈敏度可控硅（SCR）在非常低的電流水平下觸發，因此需要外部柵極 - 陰極電阻來防止柵極區域中熱產生的泄漏電流觸發。然而，柵極陰極電阻繞過了由陽極電壓 (dv/dt) 的快速變化率引起的一些內部陽極電流。

它還通過降低 NPN 晶體管區域的效率來提高正向擊穿電壓，因此需要更高的雪崩倍增效應來啟動觸發，繞過柵極結的電流也會影響鎖存電流和保持電流。由此可見，使用柵極陰極旁路電阻的效果包括：

增加 dv/dt 能力。

保留柵極阻尼以確保最大重復峰值斷態電壓 VDRM 能力。

提高鎖存和保持電流水平

降低關斷時間，tq。

盡管上面所示的簡單電路足以滿足許多需要更可控的觸發機制的應用，但需要考慮觸發前、觸發期間和觸發后的門特性。這是必需的，因為可控硅（SCR）內的電流變化會導致柵極特性發生變化。

直流門觸發

在柵極和陰極之間施加適當極性的直流電壓（柵極端子相對于陰極為正極）。

當施加的電壓足以產生所需的柵極電流時，晶閘管開始導通。

這種方案的一個缺點是電源和控制電路都是直流的，兩者之間沒有隔離。

另一個缺點是必須施加連續的直流信號，所以柵極功率損耗很高。

dv/dt 觸發

如果陽極到陰極電壓的上升速率超過特定設備的特定限制，也可以在沒有任何柵極電流的情況下發生 可控硅（SCR）觸發。

如果陽極到陰極電壓的上升速率很高，則通過電容結的充電電流足夠高，可以打開晶閘管。高值的充電電流可能會損壞晶閘管，因此必須保護設備免受高 dv/dt 的影響。

在正向阻斷狀態，即陽極比陰極更正，結J 1和J 3正向偏置，而結J 2反向偏置。因此，由于耗盡區中的空間電荷，結 J 2表現為電容（J 1和 J 3為具有電介質 J 2的導電板）。

電容的充電電流為：IC = dQ / dt= d(C j v) / dt

使用微分法則，我們得到 = C j dv / dt + v dC j / dt

由于結電容幾乎總是恒定的，我們可以忽略結電容的變化率 dC j / dt。因此，最終的充電電流為：

I C = C j dv/dt

I C：充電電流

C j ：結電容

Q：電荷

v： 施加在器件上的電壓

dC j / dt ：結電容的變化率

dv / dt ：施加電壓的變化率

由上可知，如果外加電壓的變化率較大（即突然外加），則充電電流的流動會增加，從而導致可控硅在沒有任何柵極電壓的情況下導通。

很明顯，我們可以通過增加可控硅（SCR）兩端的電壓變化率而不是施加一個大的正向偏置電壓（就像我們在前面的例子中所做的那樣）來打開可控硅（SCR）。

dv/dt 觸發缺點：這種方法實際上也被避免了，因為它會導致錯誤的開啟過程，而且這會在可控硅（SCR）上產生非常高的電壓尖峰，因此會對它造成相當大的損害。

溫度觸發（熱觸發）

這種類型的觸發也稱為熱觸發，因為可控硅（SCR）通過加熱來轉動。而反向漏電流取決于溫度。

如果溫度升高到一定值，空穴對的數量也會增加，這會導致泄漏電流增加，并進一步增加可控硅（SCR）的電流增益。

由于 (α1 + α2) 值趨于一致（隨著電流增益的增加），這將啟動可控硅（SCR）內部的再生動作。

通過增加結J 2處的溫度，耗盡層的寬度減小。因此，當正向偏置電壓接近 V BO時，我們可以通過提高結溫 (J 2 )來開啟可控硅（SCR）。在特定溫度下，結的反向偏壓會擊穿器件開始導通。

這種觸發發生在某些情況下，特別是當設備溫度更高時（也稱為誤觸發）。

溫度觸發缺點：這種類型的觸發實際上不被采用，因為它會導致熱失控，因此可能會損壞設備或 SCR。

這種形式的可控硅（SCR）觸發可能在某些情況下發生。它可能會引起意想不到的反應，因此在任何設計過程中都應注意其影響。

光觸發（輻射觸發）

使用這種方法觸發光激活可控硅（SCR）的形式常用于高壓系統。

在該方法中，允許具有適當波長和強度的光線照射結J 2。隨著電荷載流子數量的增加，電流瞬時增加，導致 SCR 開啟。

注意：為了在光輻射的幫助下成功打開 SCR，施加電壓的變化率 (dv / dt) 必須很高。

這些類型的晶閘管包括在 P 層內的位置。因此，當光線照射到這個位置時，可以在 J2 結處產生電子-空穴對，在結的引線處提供額外的電荷載流子，從而觸發可控硅。

正向電壓觸發

這里施加的正向電壓逐漸增加到超過一個稱為正向擊穿電壓 VBO 的 pt，并且柵極保持打開。但這種方法不是優選的，因為在晶閘管導通過程中，它與大電壓和大電流相關，從而導致巨大的功率損耗并且可能損壞設備。

這種形式的 可控硅（SCR）觸發發生在陽極和陰極之間的電壓導致發生雪崩傳導時。結合可控硅（SCR）結構可以看到發生這種情況的方式。

可控硅結構

當陽極到陰極的正向電壓增加時，二極管結 J2 由于反向偏置而承受越來越大的應力。

最終，電壓梯度將增加超過擊穿點，雪崩擊穿將觸發可控硅（SCR）。

發生這種情況的電壓稱為正向擊穿電壓 VB0。

當結點 J2 擊穿時，電流將流動并觸發 可控硅（SCR） 進入其導通狀態。結點 J1、J3 已經正向偏置，因此結點 J2 的擊穿允許載流子流過所有三個結點，從而使負載電流流動。

缺點：與觸發可控硅（SCR）的其他形式一樣，該設備仍處于導通狀態，不建議使用這種打開設備的方法，因為超過 VB0 的值可能會損壞設備。

任何電路都應設計為避免這種觸發方法，并注意任何可能的電壓尖峰的最大值。

直流柵極觸發

在此觸發中，在柵極和陰極端子之間施加足夠的直流電壓，以使柵極相對于陰極為正。柵極電流驅動可控硅（SCR）進入導通模式。

直流柵極觸發的缺點：

1、在這種方法中，連續的柵極信號（直流電壓）被施加在柵極上，因此會導致內部功率耗散（或更多功率損耗）。

2、另一個重要的缺點是電源和控制電路之間沒有隔離（因為它們都是直流電）。

交流觸發

交流觸發是開啟可控硅（SCR）最常用的方法，尤其是在交流應用中。

通過電源和控制電路之間的適當隔離（使用變壓器），可控硅（SCR）由來自主電源的相移交流電壓觸發，通過改變門信號的相位角來控制觸發角。

交流觸發的缺點：

1、只有半個周期可用于柵極驅動來控制觸發角，而在下半個周期中，在柵極和陰極之間施加反向電壓，這是交流觸發的限制之一。

2、另一個是需要單獨的降壓或脈沖變壓器來從主電源向柵極驅動器提供電壓。

交流觸發電路

脈沖觸發

觸發可控硅（SCR）最流行的方法是脈沖觸發，在這種方法中，柵極被提供單個脈沖或一系列高頻脈沖。

脈沖串觸發的優點：

1、較高柵極電流下的低柵極耗散。

2、小門極隔離脈沖變壓器

3、反向偏置條件下的低功耗是可能的。因此在某些情況下可以使用簡單的觸發電路

4、當第一個觸發脈沖未能觸發可控硅（SCR）時，后面的脈沖可以成功鎖存 可控硅（SCR）。

5、觸發感應電路和具有反電動勢的電路。

電阻觸發

以下電路顯示了電阻觸發。在這種方法中，可變電阻R用于控制柵極電流，通過使用這種方法，我們可以實現高達 90° 的最大觸發角。

電阻觸發

根據 R 的值，當柵極電流的大小達到足夠的值（器件的鎖存電流）時，可控硅（SCR）開始導通。

二極管D稱為阻塞二極管，它可以防止柵極陰極結在負半周期中受到損壞。

RC 觸發

以下電路顯示了電阻-電容觸發。

通過使用這種方法，我們可以實現大于 90° 的發射角。在正半周，電容通過可變電阻 R 充電至施加電壓的峰值。

變電阻R控制電容的充電時間，取決于電容兩端的電壓，當足夠量的柵極電流將在電路中流動時，可控硅（SCR）開始導通。

電阻-電容觸發

在負半周，電容C通過二極管D2充電至負峰值，二極管D1用于防止柵極陰極結在負半周反向擊穿。

設計可控硅觸發電路

當可控硅正向偏置時，通過在柵極和陰極端子之間施加正柵極電壓來注入柵極信號，然后晶閘管導通。

下圖顯示了施加柵極信號后的陽極電流波形。

施加柵極信號后的陽極電流波形

ton是導通延遲時間，導通延遲時間是柵極信號施加與晶閘管導通之間的時間間隔。

導通延遲時間 ton 定義為 10% 的穩態柵極電流 0.1I g和 90% 的穩態晶閘管導通電流 0.9It。

t on是延遲時間 td 和上升時間 t r之和。

延遲時間td定義為穩態柵極電流 (0.1 I g ) 的 10% 和晶閘管導通電流 (0.1 I T ) 的 10% 之間的時間間隔。

上升時間t r定義為晶閘管陽極電流從晶閘管通態電流的10% (0.1I T ) 到晶閘管通態電流的90% (0.9I T ) 所用的時間。

在設計柵極晶閘管觸發電路時，應牢記以下幾點：

1、當晶閘管導通時，柵極信號應立即移除。即使在觸發和晶閘管之后連續施加柵極信號也會增加柵極結的功率損耗。

2、晶閘管反向偏置時不應施加門極信號。

3、柵極信號的脈沖寬度應大于陽極電流上升到保持電流值I H所需的時間。

4、施加的負柵極信號不能關斷晶閘管。

5、為了停止晶閘管的傳導，我們必須使流過晶閘管的陽極電流低于保持電流水平。保持電流可以定義為在沒有柵極信號的情況下將晶閘管維持在導通狀態所需的最小陽極電流，低于該柵極信號晶閘管停止導通。

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