可控硅基礎知識詳細圖解

可控硅（Silicon Controlled Rectifier） 簡稱SCR，是一種大功率電器元件，也稱晶閘管。它具有體積小、效率高、壽命長等優點。在自動控制系統中，可作為大功率驅動器件，實現用小功率控件控制大功率設備。它在交直流電機調速系統、調功系統及隨動系統中得到了廣泛的應用。

可控硅分單向可控硅和雙向可控硅兩種。雙向可控硅也叫三端雙向可控硅，簡稱TRIAC。雙向可控硅在結構上相當于兩個單向可控硅反向連接，這種可控硅具有雙向導通功能。其通斷狀態由控制極G決定。在控制極G上加正脈沖（或負脈沖）可使其正向（或反向）導通。這種裝置的優點是控制電路簡單，沒有反向耐壓問題，因此特別適合做交流無觸點開關使用。

結構

大家使用的是單向晶閘管，也就是人們常說的普通晶閘管，它是由四層半導體材料組成的，有三個PN結，對外有三個電極〔圖2（a）〕：第一層P型半導體引出的電極叫陽極A，第三層P型半導體引出的電極叫控制極G，第四層N型半導體引出的電極叫陰極K。從晶閘管的電路符號〔圖2（b）〕可以看到，它和二極管一樣是一種單方向導電的器件，關鍵是多了一個控制極G，這就使它具有與二極管完全不同的工作特性。

以硅單晶為基本材料的P1N1P2N2四層三端器件，起始于1957年，因為它的特性類似于真空閘流管，所以國際上通稱為硅晶體閘流管，簡稱晶閘管T，又因為晶閘管最初的在靜止整流方面，所以又被稱之為硅可控整流元件，簡稱為可控硅SCR。

在性能上，可控硅不僅具有單向導電性，而且還具有比硅整流元件（俗稱“死硅”）更為可貴的可控性。它只有導通和關斷兩種狀態。

可控硅能以毫安級電流控制大功率的機電設備，如果超過此功率，因元件開關損耗顯著增加，允許通過的平均電流相降低，此時，標稱電流應降級使用。

可控硅的優點很多，例如：以小功率控制大功率，功率放大倍數高達幾十萬倍；反應極快，在微秒級內開通、關斷；無觸點運行，無火花、無噪音；效率高，成本低等等。

可控硅的弱點：靜態及動態的過載能力較差；容易受干擾而誤導通。

可控硅從外形上分類主要有：螺栓形、平板形和平底形。

可控硅元件的結構

不管可控硅的外形如何，它們的管芯都是由P型硅和N型硅組成的四層P1N1P2N2結構。見圖1。它有三個PN結（J1、J2、J3），從J1結構的P1層引出陽極A，從N2層引出陰級K，從P2層引出控制極G，所以它是一種四層三端的半導體器件。

工作原理

結構原件

可控硅是P1N1P2N2四層三端結構元件，共有三個PN結，分析原理時，可以把它看作由一個PNP管和一個NPN管所組成，其等效圖解如右圖所示。雙向可控硅：雙向可控硅是一種硅可控整流器件，也稱作雙向晶閘管。這種器件在電路中能夠實現交流電的無觸點控制，以小電流控制大電流，具有無火花、動作快、壽命長、可靠性高以及簡化電路結構等優點。從外表上看，雙向可控硅和普通可控硅很相似，也有三個電極。

但是，它除了其中一個電極G仍叫做控制極外，另外兩個電極通常卻不再叫做陽極和陰極，而統稱為主電極Tl和T2。它的符號也和普通可控硅不同，是把兩個可控硅反接在一起畫成的，如圖2所示。它的型號，在我國一般用“3CTS”或“KS”表示；國外的資料也有用“TRIAC”來表示的。雙向可控硅的規格、型號、外形以及電極引腳排列依生產廠家不同而有所不同，但其電極引腳多數是按T1、T2、G的顧序從左至右排列（觀察時，電極引腳向下，面對標有字符的一面）。市場上最常見的幾種塑封外形結構雙向可控硅的外形及電極引腳排列如下圖1所示。

晶閘管特性

為了能夠直觀地認識晶閘管的工作特性，大家先看這塊示教板（圖3）。晶閘管VS與小燈泡EL串聯起來，通過開關S接在直流電源上。注意陽極A是接電源的正極，陰極K接電源的負極，控制極G通過按鈕開關SB接在1.5V直流電源的正極（這里使用的是KP1型晶閘管，若采用KP5型，應接在3V直流電源的正極）。晶閘管與電源的這種連接方式叫做正向連接，也就是說，給晶閘管陽極和控制極所加的都是正向電壓。合上電源開關S，小燈泡不亮，說明晶閘管沒有導通；再按一下按鈕開關SB，給控制極輸入一個觸發電壓，小燈泡亮了，說明晶閘管導通了。這個演示實驗給了我們什么啟發呢？

這個實驗告訴我們，要使晶閘管導通，一是在它的陽極A與陰極K之間外加正向電壓，二是在它的控制極G與陰極K之間輸入一個正向觸發電壓。晶閘管導通后，松開按鈕開關，去掉觸發電壓，仍然維持導通狀態。

晶閘管特點

“一觸即發”。但是，如果陽極或控制極外加的是反向電壓，晶閘管就不能導通。控制極的作用是通過外加正向觸發脈沖使晶閘管導通，卻不能使它關斷。那么，用什么方法才能使導通的晶閘管關斷呢？使導通的晶閘管關斷，可以斷開陽極電源（圖3中的開關S）或使陽極電流小于維持導通的最小值（稱為維持電流）。如果晶閘管陽極和陰極之間外加的是交流電壓或脈動直流電壓，那么，在電壓過零時，晶閘管會自行關斷。

應用類型

圖4示出了雙向可控硅的特性曲線。

由圖可見，雙向可控硅的特性曲線是由一、三兩個象限內的曲線組合成的。第一象限的曲線說明當加到主電極上的電壓使Tc對T1的極性為正時，我們稱為正向電壓，并用符號U21表示。當這個電壓逐漸增加到等于轉折電壓UBO時，圖3（b）左邊的可控硅就觸發導通，這時的通態電流為I21，方向是從T2流向Tl。從圖中可以看到，觸發電流越大，轉折電壓就越低，這種情形和普通可控硅的觸發導通規律是一致的， 當加到主電極上的電壓使Tl對T2的極性為正時，叫做反向電壓，并用符號U12表示。當這個電壓達到轉折電壓值時，圖3（b）右邊的可控硅便觸發導通，這時的電流為I12，其方向是從T1到T2。這時雙向可控硅的特性曲線，如圖4中第三象限所示。

四種觸發方式

由于在雙向可控硅的主電極上，無論加以正向電壓或是反向電壓，也不管觸發信號是正向還是反向，它都能被觸發導通，因此它有以下四種觸發方式：

（1）當主電極T2對Tl所加的電壓為正向電壓，控制極G對第一電極Tl所加的也是正向觸發信號（圖5a）。雙向可控硅觸發導通后，電流I2l的方向從T2流向T1。由特性曲線可知，這時雙向可控硅觸發導通規律是按第二象限的特性進行的，又因為觸發信號是正向的，所以把這種觸發叫做“第一象限的正向觸發”或稱為I+觸發方式。

（2）如果主電極T2仍加正向電壓，而把觸發信號改為反向信號（圖5b），這時雙向可控硅觸發導通后，通態電流的方向仍然是從T2到T1。我們把這種觸發叫做“第一象限的負觸發”或稱為I-觸發方式。

（3）兩個主電極加上反向電壓U12（圖5c），輸入正向觸發信號，雙向可控硅導通后，通態電流從T1流向T2。雙向可控硅按第三象限特性曲線工作，因此把這種觸發叫做Ⅲ+觸發方式。

（4）兩個主電極仍然加反向電壓U12，輸入的是反向觸發信號（圖5d），雙向可控硅導通后，通態電流仍從T1流向T2。這種觸發就叫做Ⅲ-觸發方式。 雙向可控硅雖然有以上四種觸發方式，但由于負信號觸發所需要的觸發電壓和電流都比較小。工作比較可靠，因此在實際使用時，負觸發方式應用較多。

特性

常用的有阻容移相橋觸發電路、單結晶體管觸發電路、晶體三極管觸發電路、利用小晶閘管觸發大晶閘管的觸發電路，等等。

可控硅的主要參數有：

1、 額定通態平均電流IT 在一定條件下，陽極---陰極間可以連續通過的50赫茲正弦半波電流的平均值。

2、 正向阻斷峰值電壓VPF 在控制極開路未加觸發信號，陽極正向電壓還未超過導能電壓時，可以重復加在可控硅兩端的正向峰值電壓。可控硅承受的正向電壓峰值，不能超過手冊給出的這個參數值。

3、 反向阻斷峰值電壓VPR 當可控硅加反向電壓，處于反向關斷狀態時，可以重復加在可控硅兩端的反向峰值電壓。使用時，不能超過手冊給出的這個參數值。

4、 觸發電壓VGT 在規定的環境溫度下，陽極---陰極間加有一定電壓時，可控硅從關斷狀態轉為導通狀態所需要的最小控制極電流和電壓。

5、 維持電流IH 在規定溫度下，控制極斷路，維持可控硅導通所必需的最小陽極正向電流。許多新型可控硅元件相繼問世，如適于高頻應用的快速可控硅，可以用正或負的觸發信號控制兩個方向導通的雙向可控硅，可以用正觸發信號使其導通，用負觸發信號使其關斷的可控硅等等。

分類

可控硅有多種分類方法。

（一）按關斷、導通及控制方式分類：可控硅按其關斷、導通及控制方式可分為普通可控硅、雙向可控硅、逆導可控硅、門極關斷可控硅（GTO）、BTG可控硅、溫控可控硅和光控可控硅等多種。

（二）按引腳和極性分類：可控硅按其引腳和極性可分為二極可控硅、三極可控硅和四極可控硅。

（三）按封裝形式分類：可控硅按其封裝形式可分為金屬封裝可控硅、塑封可控硅和陶瓷封裝可控硅三種類型。其中，金屬封裝可控硅又分為螺栓形、平板形、圓殼形等多種；塑封可控硅又分為帶散熱片型和不帶散熱片型兩種。

（四）按電流容量分類：可控硅按電流容量可分為大功率可控硅、中功率可控硅和小功率可控硅三種。通常，大功率可控硅多采用金屬殼封裝，而中、小功率可控硅則多采用塑封或陶瓷封裝。

（五）按關斷速度分類：可控硅按其關斷速度可分為普通可控硅和高頻（快速）可控硅。

（六）過零觸發-一般是調功，即當正弦交流電交流電電壓相位過零點觸發，必須是過零點才觸發，導通可控硅。

（七）非過零觸發-無論交流電電壓在什么相位的時候都可觸發導通可控硅，常見的是移相觸發，即通過改變正弦交流電的導通角（角相位），來改變輸出百分比。

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