可控硅的应用

摘 要  从目前电子工业的发展来看，尽管有各种新型的半导体材料不断出现，但是半导体材料中98％仍是硅材料，硅材料仍是集成电路产业的基础，其中可控硅具有体积小、重量轻、功率高、寿命长等优点而得到了广泛的应用。本文主要通过论述单向可控硅（普通可控硅）、双向可控硅的基本原理、以及其典型应用，以此给读者简单介绍一下可控硅。

关键词：半导体  可控硅   集成电路  

Abstract  From the current perspective of the development of the electronics industry, in spite of a variety of new semiconductor materials continue to appear, but the semiconductor material is still 98% of the silicon material, silicon material is still the basis of the integrated circuit industry, in which SCR has a small size, weight light, high power, long life and other advantages have been widely used. This paper discusses a one-way through the SCR (general SCR), the basic principles of bi-directional thyristor and application in the commonly used  so as to give the reader a brief SCR.

Key words: semiconductor   silicon integrated   circuits

一、可控硅元件简介

可控硅又叫晶闸管，是半导体晶体闸流管的简称，它是一种用小电流控制大电流开关型半导体器件, 常用的有普通可控硅（又称单向可控硅）和双向可控硅两大类，由于具有体积小、质量轻、效率高、寿命长、耐振、无噪声、使用方便等优点。因此在很短的时间内引起了国内、外,工、农业生产各部门极大的重视, 被广泛应用到各种生产设备和家用电器上。按其工作原理大致可以分为四类。1.整流:把交流电变为大、小可调的直流电。2.逆变:把直流电变为一定频率的交流电。3.直流开关:作直流回路开关或直流调压。4.交流开关:作交流回路开关或交流调压。按其服务对象来分,可用于工业、农业、国防、交通、运输、矿山、冶金、轻工、化工等部门。

在性能上，可控硅不仅具有单向导电性，而且还具有比硅整流元件（俗称“死硅”）更为可贵的可控性。它只有导通和关断两种状态。     

可控硅的优点很多，例如：以小功率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍；反应极快，在微秒级内开通、关断；无触点运行，无火花、无噪音；效率高，成本低等等。

    可控硅的弱点：静态及动态的过载能力较差；容易受干扰而误导通。

下面就单向可控硅和三端双向可控硅这两类可控硅分别做个简单介绍。

二、单向可控硅工作原理

首先让我们来认识一下单向可控硅。

它的内部结构示意如图1（a）所示。由图1（a）可见，单向可控硅由四层半导体PNPN组成，中间有3个PN结；J,J和J结，由P区引出阳极A，N区引出阴极K，中间的P区引出控制极（或称为门极）G。单向可控硅的电路符号如图1（b）所示。

图1  单向可控硅示意图和电路符号

（a）结构示意图；（b）电路符号

为了理解单向可控硅的工作原理，可以把单向可控硅等效地看成一个PNP型晶体管T与一个NPN型晶体管T组合而成，中间的P层和N层半导体为两个晶体管共用，阳极A相当于T的发射极，阴极K相当于T的发射极，如图2所示。

图2    单向可控硅的工作原理

（a）等效结构；（b）等效电路

理解单向可控硅工作原理的关键是了解控制极的作用。

（1）控制极不加电压或加反向电压

当控制极悬空或者控制极与阴极之间加反向电压，即U＜0时，必有I=0.如果在阳极与阴极之间加反向电压，即U＜0,由于T,T的发射结J,J均处于反向偏置，T,T处于截止状态，此时流过单向可控硅中的电流只是J,J结的反向饱和电流，I≈0,单向可控硅处以阻断状态；如果在阳极与阴极之间加正向电压，即U＞0,J结处于反偏状态，由于I=0,T必处于截止状态，此时单向可控硅中的电流只是J结的反向饱和电流，I≈0,单向可控硅仍处于阻断状态。所以，当控制极不加电压或加反向电压时，I=0,单向可控硅处于阻断状态，具有正、反阻断能力。

（2）控制极加正向电压

当控制极与阴极之间加正向电压，即U＞0时，T的发射结J处于正向偏置， I≠0。如果在阳极与阴极之间加反向电压，即U＜0,由于T的发射结J处于反向偏置，T处于截止状态，所以单向可控硅处于阻断状态，I≈0；如果阳极与阴极之间加正向电压，即U＞0,由于T,T的发射结J,J处于正向偏置，集电结J处于反向偏置，T,T将处于放大状态。I经T放大后，T的集电极电流I=βI, T的集电极电流又是T的基极电流，经T 放大，T集电极电流I=ββI,此电流又流入T 的基极进行放大，如此循环，就形成了很强的正反馈，使T,T 很快进入饱和状态，单向可控硅处于导通状态。单向可控硅导通后，阳极与阴极之间电压U的数值很小，外加电源电压几乎全部降在负载上。

（3）单向可控硅的关断

由以上分析可见，当单向可控硅导通后，T的基极始终有T 的集电极电流I流过，而且I的数值要比开始外加的I大得多，所以即使控制极电压消失，I=0，仍可依靠管子本身的正反馈作用维持导通。所以，一旦单向可控硅导通后，控制极将失去控制作用。单向可控硅导通后，如果想使它重新关断，必须把阳极电流I减小到使其不能维持正反馈，为此，可将阳极断开或在阳极与阴极之间加反向电压。

综上所述：在单向可控硅阳极与阴极间加正向电压的条件下，如果某时刻在控制极与阴极之间加入正向电压，单向可控硅将由阻断状态转为导通状态，称之为触发导通。单向可控硅导通后，控制极将失去控制作用，如果要重新关断单向可控硅，必须使其阳极电流小于一定的值I (称为维持电流)或使阳极与阴极之间电压U减小到零。

三、双向可控硅的工作原理

双向可控硅亦称为双向晶闸管，其内部是一个NPNPN的五层结构，为三端元件，它有三个电极：主电极A,主电极A和控制极（或称门极）G,亦为一闸极控制开关。无论从结构还是特性来看，都可以把它看成是一对反向并联的普通可控硅，其结构、等效电路及符号如图3所示。

图3  双向可控硅的符号、结构和等效电路

双向可控硅的基本指控电路如图4所示。它的主电极A、A与控制对象（负载）R串联，相当于一个无触点开关。这个开关的“通”或“断”受控制极G上的信号u（称为触发信号）的控制。当主电极A、A间有电压（u≠0）时，在触发信号u出现的瞬间，双向可控硅A、A间便会导通，相当于开关的闭合状态。而且一旦导通以后，即使u喜爱欧式，也能保持导通状态，知道u=0或主电极与负载串联电路中的电流减小到某一值，它才截止。截止后相当于开关的断开状态。这样便可以用控制极上的小电流信号去控制主电极回路中的大电流。

图4   双向可控硅的伏安特性曲线

一般说来，无论双向可控硅两个主电极A、A间电压极性如何，只要在控制极上加一定幅度的正、负脉冲，都能使其导通。所以i表示主电极中的电流，u表示A、A之间的电压，则两者之间的函数关系图像（称为伏安特性曲线）如图4所示。由该曲线可知，双向可控硅在第Ⅰ象限和第Ⅲ象限具有基本相同的对称性能。

按照主电极上的电压u和控制极上的触发脉冲电压u的极性，结合伏安特性曲线，双向可控硅可以分为四种触发方式，定义如下：

（1）I触发：在特性曲线第Ⅰ象限（A为正），控制极相对A为正的触发。

（2）I触发：在特性曲线第Ⅰ象限（A为正），控制极相对A为负的触发。

（3）Ⅲ触发：在特性曲线第Ⅲ象限(A为负)，控制极相对A为正的触发。

（4）Ⅲ触发：在特性曲线第Ⅲ象限(A为负)，控制极相对A为负的触发。

在这四种触发方式中，I和Ⅲ具有较高的灵敏度，是常用的两种触发方式。

在新型电热电动器具控制电路中，加在各双向可控硅控制极上的触发信号由单片微电脑或集成电路输出。有的输出一个连续的正（或负）电压信号，有的输出一连串与50Hz正弦交流电源同步的过零触发脉冲。前者称为电位触发，而后者则称为脉冲触发。它们的波形分别如图5和图6.

 图5                                      图6

三、可控硅的几种典型应用

1.锁存器电路:图7-1是一种由继电器J、电源(+12V)、开关K1和微动开关K2组成的锁存器电路。当电源开关K1闭合时,因J回路中的开关K2和其触点J-1是断开的,继电器J不工作,其触点1-2也未闭合,所以电珠L不亮。一旦人工触动一下K2,J得电激活,对应的触点J-1、J-2闭合,L 点亮。此时微动开关K2不再起作用(已自锁)。要使电珠L熄灭,只有断开电源开关K1便继电器释放,电珠L才会熄灭。所以该电路具有锁存器(J-1 自锁)的功能。图7-2 电路是用单向可控硅SCR 代替图7-1中的继电器J,仍可完成图7-1的锁存器功能,即开关K1闭合时,电路不工作,电珠L不亮。当触动一下微动开关K2时,SCR因电源电压通过R1对门极加电而被触发导通且自锁,L点亮,此时K2不再起作用,要使L熄灭,只有断开K1。由此可见,图7-2 电路也具有锁存器的功能。图7-2 与图7-1 虽然都具有锁存器功能,但它们的工作条件仍有区别:(1) 图7-1的锁存功能是利用继电器触点的闭合维持其J线圈和L的电流,但图7-2中,是利用SCR自身导通完成锁存功能。(2) 图7-1的与控制器件L 完全处于隔离状态,但图7-2中的SCR与L不能隔离。所以在实际应用电路中,常把图7-1和图7-2电路混合使用,完成所需的锁存器功能。

2.单向可控硅SCR 振荡器:图7-3 电路是利用SCR 的锁存性制作的低频振荡器电路。图中的扬声器LS(8Ω/0.5W)作为振荡器的负载。当电路接上电源时,由于电源通过R1 对C1 充电,初始时,C1 电压很低,A、B 端的电位器W的分压不能触发SCR , SCR 不导通。当C1 充得电压达到一定值时,A、B 端电压升高, SCR被触发而导通。一旦SCR 导通,电容器C1 通过SCR 和LS 放电,结果A、B 端的电压又下降,当A、B 端电压下降到很低时,又使SCR 截止,一旦SCR 截止,电容器C1 又通过R1 充电,这种充放电过程反复进行形成电路的振荡,此时LS 发出响声。电路中的W 可用来调节SCR 门极电压的大小,以达到控制振荡器的频率变化。按图中元件数据,C1 取值为0. 22～4μF,电路均可正常工作。

3.SCR 半波整流稳压电源:如图4 电路,是一种输出电压为+12V的稳压电源。该电路的特点是变压器B 将220V的电压变换为低压(16～20V),采用单向可控硅SCR 半波整流。SCR 的门极G 从R1、D1和D2 的回路中的C点取出约13. 4V 的电压作为SCR 门阴间的偏置电压。电容器C1 起滤波和储能作用。在输出CD 端可获得约+12V的稳压。电路工作时,当A 点低压交流为正半周时,SCR 导通对C1 充电。当充电电压接近C点电压或交流输入负半周时,SCR 截止,所以C1 上充得电压(即输出端CD)不会高于C 点的稳压值。只有储能电容C1 输出端对负载放电,其电压低于C 点电压时,在A 点的正半周电压才会给C1 即时补充充电,以维持输出电压的稳定。图7-4 电路与电池配合已成功用于某设备作后备电源。该稳压电源,按图中参数其输出电流可达2～3A。

图7

4.SCR 全波整流稳压电源:上述的半波整流稳压电源,其缺点是电源的效率低,其纹波也较大。图7-5 的SCR 全波整流稳压电源,完全克服了上述的缺点。该电路的输出电压也为12V(也可改接成其他电压输出)。该电路实际是由图4的两个半波整流和稳压电路组合而成。D1 、SCR1 、D4 等工作在交流的正半周;D2 、SCR2 、D6 等工作在交流的负半周,他们共同向输出的C、D 端提供电流。电路中的D3 、D5 起隔离作用,即D3 是防止A 点交流负半周时,其电流通过R1 ;D5 是防止A 点交流正半周时,其电流通过R2 的。电路的其他工作过程与上期图7-4 相同。

5. 双向可控硅和固体继电器(SSR):利用双向可控硅BCR 制作调光器是BCR 最常见的应用,如图7-6 所示。由图可见,该SSR 产品是由双向可控硅BCR和光耦合交流过零触发电路共同组成的,因此该SSR 的效率高(即功耗小)、自身引起的电噪声(脉冲式干扰)很小。利用图7-6 的内部电路,读者完全可以自制SSR ,并把他应用到控制电路中,如图7-7 可控制交流(220V)电源的插座电路。图中的光耦合器MOC3041 为BCR 提供交流过流触发信号。一般MOC3041 的输入控制电流约20mA ,所以当控制信号为5V 时,其限流电阻取270Ω。图中的R2 是控制BCR 门极(G)触发电流的,该值应随使用BCR 型号而调整的,一般6A/ 700V 的BCR ,其G极所需的触发电流约10mA ,即可可靠触发BCR 工作。图中的Z 为交流电源插座。当图7-7 中的控制信号输出5V 电平时,BCR 导通,Z上即有220V的电压输出,反之,Z无输出电压。

6. 抑制RF干扰的辅助电路:当电路中使用了可控硅作多种控制电路时,一般应附加抑制RF 干扰的辅助电路,尤其是使用了双向可控硅的电路。一般抑制RF 干扰的电路是加在交流电源的输入端,如图7-8 所示。电路中的电感L1、L2 和电容器C1 的值已在图中标注。

图7

结 语  以上是对可控硅的初步介绍，只要根据可控硅的工作原理，充分利用其工作特点，可控硅可广泛应用在自动控制，机电领域，工业电气及家电等方面。

参考文献：

[1] 杨福生主编．电子技术（电工学Ⅱ）[J]．北京：高等教育出版社，1999．

[2] 王志宏主编．模拟电子学[M]．西安：西安交通大学出版社， 1994．

[3] 谈文华．新编实用电气技术[M]．北京：机械工业出版社，1992．

[4] 黄俊．半导体变流技术[M]．武汉：机械工业出版社，1996．

[5] 马维新．电力系统过电压[M]．北京：中国电力出版社，1998年．

[6] 华伟，周文定.现代电力电子器件及其应用[M]．北京：北方交通大学出版社，2005．

[7] 陈永甫．555集成电路应用800例[M]．武汉：电子工业出版社，2002．

[8] 俞志平．现代科学仪器[J]. 太原理工大学学报，2005第5期．

[9] 郑国川．电子制作中可控硅的应用[J].成都：成都电子科大学报，2005．

[10] 路立平.家用电器节能技术[M]．郑州：郑州轻工业出版社，2004．                                                                         

[11]王跃，汪至中，叶晶晶，闰耀民.新型交流稳压电源的研制[M].广州：广州师范大学出版社，1999.

[12]颜世钢.调压补偿式交流稳压电路的分析与设计[M].北京：中国电力出版社，1998.