可控硅工作原理和參數詳解

可控硅全稱“可控硅整流元件”（Silicon Controlled Rectifier），簡寫為SCR，別名晶體閘流管（Thyristor），是一種具有三個PN結、四層結構的大功率半導體器件。可控硅體積小、結構簡單、功能強，可起到變頻、整流、逆變、無觸點開關等多種作用，因此現已被廣泛應用于各種電子產品中，如調光燈、攝像機、無線電遙控、組合音響等。

其原理圖符號如下圖所示：

從可控硅的電路符號可以看到，它和二極管一樣是一種單方向導電的器件，只是多了一個控制極G，正是它使得可控硅具有與二極管完全不同的工作特性。可控硅是可以處理耐高壓、大電流的大功率器件，隨著設計技術和制造技術的進步，越來越大容量化 。

可控硅的基本結構如下圖所示：

三個PN結（J1、J2、J3）組成4層P1-N1-P2-N2結構的半導體器件對外有三個電極，由最外層P型半導體材料引出的電極作為陽極A，由中間的P型半導體材料引出的電極稱為控制極G，由最外層的N型半導體材料引出的電極稱為陰極K，它可以等效成如圖所示的兩只三極管電路。

下面我們來看看可控硅的工作原理：

如下圖所示，初始狀態下，電壓VAK施加到可控硅的A、K兩個端，此時三極管Q1與Q2都處于截止狀態，兩者地盤互不侵犯。

此時VAK電壓全部施加到A、K兩極之間，這個允許施加的最大電壓VAK即斷態重復峰值電壓VDRM（Peak Repetitive  Off-State Voltage），相應的有斷態重復峰值電流IDRM（Peak Repetitive Off-State Current）

如下圖所示，電壓VGK施加到G、K兩極后，Q2的發射結因正向偏置而使其導通，從而產生了基極電流IB2，此時Q2尚處于截止狀態，可控硅陽極電流IA為0，Q1的基極電流IB1也為0，電阻R2上也沒有壓降，因此Q2的集電極-發射電壓VCE2為VAK，這個電壓值通常遠大于VBE2，即使是在測試數據手冊中的參數時，VAK也至少有6V，實際應用時VAK會有幾百伏，因此，三極管Q2的發射結正偏、集電結反偏，開始處于放大狀態。

只有在G、K加上正向電壓后，才可以觸發可控硅的導通，這個觸發電壓的最小值稱為門極觸發電壓VGT（Gate Trigger Voltage），這個值就是一個PN結的結電壓（不是電池電壓VGK），此時流過控制極的電流稱為門極觸發電流IGT（Gate Trigger Voltage）

剛剛進入放大狀態（微導通）的三極管Q2將基極電流IB2進行放大，相應集電極的電流為IC2，其值為（IB2×β2），盡管放大了β2倍，但此時的IC2還比較小，因此IA與IB1也比較小（但是已經不為0了），電阻R2中也有微小電流，可以看成一個完整的電流回路，但此時的Q2的集電極-發射極壓降仍然很大。

與此同時，三極管Q1的發射極一直是VAK（最高電壓），集電極一直是較低的電壓（VBE2），只要基極設置合適的電壓，就可以進入放大狀態，所以一直臥薪嘗膽、蟄伏待機。Q2集電極電流IC2的出現，使得三極管Q1有機可乘。

處于微導通狀態的三極管Q2形成的回路使三極管Q1基極所欠缺的電壓一步到位，時機終于成熟了，三極管Q1也因此剛剛進入放大狀態（微導通）！由于IB1與IC2是相同的，IB1經Q1放大后，其集電極電流IC1=（IB2×β2×β1），這個電流值又比IC2增大了β1倍。

三極管Q1放大后的集電極電流IC1無處可逃，只好往Q2的基極去鉆（不會跑到電阻R1這邊來，因為電壓VGK肯定比VBE2要高，水往低處走），IC1就變成了IB2，三極管Q2的基極電流IB2被替換成了（IB2×β2×β1），比原來增加了（β2×β1）倍。

所謂人多好辦事，這個更大的基極電流IB2第二次被三極管Q2放大，此時的IC2就是（IB2×β2×β1×β2），然后又重復被兩個三極管交互進行正反饋放大，周而復始。

在這個過程中，三極管Q2的集電極-發射極壓降越來越小，陽極電流IA的電流也越來越大，最終Q2飽和了（Q1也不甘示弱，節奏妥妥地跟上），最后就成為下圖所示的：

當Q1與Q2充分導通后（可控硅導通），A、K兩極之間的壓降很小，其實就是Q1發射結電壓VBE1 + Q2集電極-發射極飽和電壓VCE2，這個電壓稱為正向通態電壓VTM（Forward On-State Voltage）

可以看到，VAK的電壓值最終全部加到電阻R2上面，整個過程就是由電壓VGK引發的“血案”，原來R2電阻上沒有任何壓降，VGK電壓觸發可控硅后，VAK電壓就全部加在電阻R2上面了。

可控硅完全導通后，流過A、K兩極的電流即為通態電流IT（On-State Current），實際應用時，VAK通常是交流電壓（如220VAC），因此常將此參數標記為通態平均電流IT（RMS），指可控硅元件可以連續通過的工頻正弦半波電流（在一個周期內）的平均值，而此時流過G、K兩極的電流即為門極電流IG（Gate Current），這個門極控制電流不應超過門極最大峰值電流IGM（Forward Peak Gate Voltage）

當VAK是交流電源的負半周時，可控硅因為A、K兩極加反向電壓而阻斷，此時允許施加的最大電壓稱為反向重復峰值電壓VRRM（Peak Repetitive Reverse Blocking Voltage），由于可控硅阻斷時的電阻不是無窮大，此時的電流稱之為反向重復峰值電流IRRM（Peak Repetitive Reverse Blocking Current）。

這兩個值與之前介紹的IDRM、VDRM是一樣的，只不過IDRM、VDRM是在控制G極斷開、可控硅阻斷狀態下測量的，而IRRM、VRRM是在可控硅A、K極接反向電壓下測量的。

如果在可控硅陽極A與陰極K間加上反向電壓時，開始可控硅處于反向阻斷狀態，只有很小的反向漏電流流過。當反向電壓增大到某一數值時，反向漏電流急劇增大，這時，所對應的電壓稱為反向不重復峰值電壓VRSM（Peak Non-Repetitive Surge Voltage）。

上面我們只是把R2（與R1）作為象征性的限流電阻，其實R2完全可以是負載，如電燈泡，如下圖所示：

當G、K兩極沒有加正向電壓時，A、K之間相當于是斷開的，燈泡不亮

當G、K加上正向電壓后，A、K之間相當于短路，所以VAK電壓全部加在電燈泡上使其發光。

由地盤之爭引發的“血案”就此完結！

但是還有下文哦！

如果在A、K之間充分導通后，我們拿掉電壓VGK企圖讓燈泡熄滅，如下所示：

很遺憾，沒有成功，燈泡還是一往無前地發射出嘲笑我們的刺眼光芒，因為這個時候VGK已經沒有利用價值了，盡管沒有VGK，可控硅內部還是會有三極管電流正反饋維持可控硅的繼續導通。

在門極G開路時，要保持可控硅能處于導通狀態所必須的最小正向電流，稱為維持電流IH（Holding current）。還有一個擎住電流IL（Latch current），是可控硅剛從斷態轉入通態并移除G極觸發信號后，能維持導通所需的最小電流。對于同一可控硅，通常IL約為IH的數倍。

導演，我沒看懂這兩者有什么區別！其實這與數字電路中的電平是相似的，如下圖所示：

如果一個低電平要讓另一方認為是高電平，那必須要超過VOH（上圖的4.5V），一旦這個低電平變成了高電平，繼續讓另一方認為是高電平，只需要不低于VIH（上圖的3.5V）即可，維持這個高電平的代價顯示更低一些。

那么有什么辦法讓電燈泡滅呢？

有一種辦法很明顯，就是使電流IA下降到不足以維持內部正反饋過程，可控硅自然就阻斷了，燈泡也會隨之熄滅，也就是把VAK電壓降下來。這個地球人都知道，你VAK雖然是大BOSS，但讓我為你開路總得留下點買路錢吧！只要降低電壓VAK讓IA小于IH，那么可控硅就斷開了（或在A、K兩極加反向電壓，其實這與降低電壓VAK是一個道理）。

但問題是，大多數時候VAK的電壓不會那么容易（主動）下降，我幫主當得好好的，憑什么讓我下臺？老子有的是錢！

狡兔死，走狗烹，電壓VGK深諳其中道理，也早早從“門極關斷可控硅”手中重金買下簡單的辦法讓燈泡熄滅。你丫的，我給你立下汗馬功勞不讓我當幫主，只有拆你的臺了。如下圖所示：

將電壓VGK反向接入G、K兩極后，想讓三極管Q2截止繼而讓可控硅進入阻斷狀態，但還是無法成功，因為可控硅導通后處于深度飽和狀態，就算加反向電壓也是無效的。

如果反向電壓增大到某一數值時，反向漏電流急劇增大，此時所對應的電壓稱為反向門極峰值電壓IGM（Reverse Peak Gate Voltage），使用時不應超過此值。

上面我們討論的是常用的P型門極、陰極端受控的可控硅，還有一種不常用的N型門極、陽極端受控的可控硅，其原理圖符號如下圖所示，兩者的原理是完全一樣的，讀者可自行分析一下。

下圖的典型可控硅應用電路，可以用來調節燈泡的亮度。電路輸入的220V交流電壓經橋式整流后得到脈沖直流電壓VP，此時可控硅VT為阻斷狀態，電路是不導通的；

隨著脈沖直流電壓VP通過可調電阻RP1、R1對電容C1進行充電，當電容C1上的電壓足以觸發可控硅VT時，可控硅導通后負載回路暢通，從而使電燈泡點亮，如下圖所示：

調節可調電位器RP1即可控制電容C1的充電速度（充電常數越大充電速度越慢），這樣施加在燈泡上的交流電壓的平均值就可以隨之調整，從而調節電燈泡的高度。

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