单向可控硅及其应用电路分析

单向可控硅及其应用电路分析

可控硅全称“可控硅整流元件”（Silicon Controlled Rectifier），简写为SCR，别名晶体闸流管（Thyristor），是一种具有三个PN结、四层结构的大功率半导体器件。可控硅体积小、结构简单、功能强，可起到变频、整流、逆变、无触点开关等多种作用，因此现已被广泛应用于各种电子产品中，如调光灯、摄像机、无线电遥控、组合音响等。

其原理图符号如下图所示：

从可控硅的电路符号可以看到，它和二极管一样是一种单方向导电的器件，只是多了一个控制极G，正是它使得可控硅具有与二极管完全不同的工作特性。可控硅是可以处理耐高压、大电流的大功率器件，随着设计技术和制造技术的进步，越来越大容量化。可控硅的基本结构如下图所示：三个PN 结（J1、J2、J3）组成4层P1-N1-P2-N2结构的半导体器件对外有三个电极，由最外层P型半导体材料引出的电极作为阳极A，由中间的P型半导体材料引出的电极称为控制极G，由最外层的N型半导体材料引出的电极称为阴极K，它可以等效成如图所示的两只三极管电路。下面我们来看看可控硅的工作原理：如下图所示，初始状态下，电压V AK施加到可控硅的A、K两个端，此时三极管Q1与Q2都处于截止状态，两者地盘互不侵犯。此时V AK电压全部施加到A、K

两极之间，这个允许施加的最大电压V AK即断态重复峰值电压VDRM（Peak Repetitive Off-State V oltage），相应的有断态重复峰值电流IDRM（Peak Repetitive Off-StateCurrent）如下图所示，电压VGK施加到G、K两极后，Q2的发射结因正向偏置而使其导通，从而产生了基极电流IB2，此时Q2尚处于截止状态，可控硅阳极电流IA为0，Q1的基极电流IB1也为0，电阻R2上也没有压降，因此Q2的集电极-发射电压VCE2为V AK，这个电压值通常远大于VBE2，即使是在测试数据手册中的参数时，V AK也至少有6V，实际应用时V AK会有几百伏，因此，三极管Q2的发射结正偏、集电结反偏，开始处于放大状态。只有在G、K加上正向电压后，才可以触发可控硅的导通，这个触发电压的最小值称为门极触发电压VGT（Gate Trigger V oltage），这个值就是一个PN 结的结电压（不是电池电压VGK），此时流过控制极的电流称为门极触发电流IGT（Gate Trigger V oltage）

刚刚进入放大状态（微导通）的三极管Q2将基极电流IB2进行放大，相应集电极的电流为IC2，其值为（IB2×β2），尽管放大了β2倍，但此时的IC2还比较小，因此IA与IB1也比较小（但是已经不为0了），电阻R2中也有微小电流，可以看成一个完整的电流回路，但此时的Q2的集电极-发射极压降仍然很大。与此同时，三极管Q1的发射极一直是V AK （最高电压），集电极一直是较低的电压（VBE2），只要基

极设置合适的电压，就可以进入放大状态，所以一直卧薪尝胆、蛰伏待机。Q2集电极电流IC2的出现，使得三极管Q1有机可乘。处于微导通状态的三极管Q2形成的回路使三极管Q1基极所欠缺的电压一步到位，时机终于成熟了，三极管Q1也因此刚刚进入放大状态（微导通）！由于IB1与IC2是相同的，IB1经Q1放大后，其集电极电流IC1=（IB2×β2×β1），这个电流值又比IC2增大了β1倍。三极管Q1放大后的集电极电流IC1无处可逃，只好往Q2的基极去钻（不会跑到电阻R1这边来，因为电压VGK肯定比VBE2要高，水往低处走），IC1就变成了IB2，三极管Q2的基极电流IB2被替换成了（IB2×β2×β1），比原来增加了（β2×β1）倍。所谓人多好办事，这个更大的基极电流IB2第二次被三极管Q2放大，此时的IC2就是（IB2×β2×β1×β2），然后又重复被两个三极管交互进行正反馈放大，周而复始。在这个过程中，三极管Q2的集电极-发射极压降越来越小，阳极电流IA的电流也越来越大，最终Q2饱和了（Q1也不甘示弱，节奏妥妥地跟上），最后就成为下图所示的：当Q1与Q2充分导通后（可控硅导通），A、K两极之间的压降很小，其实就是Q1发射结电压VBE1 + Q2集电极-发射极饱和电压VCE2，这个电压称为正向通态电压VTM（Forward On-State V oltage）可以看到，V AK的电压值最终全部加到电阻R2

上面，整个过程就是由电压VGK引发的“血案”，原来R2

电阻上没有任何压降，VGK电压触发可控硅后，VAK电压就全部加在电阻R2上面了。可控硅完全导通后，流过A、K两极的电流即为通态电流IT（On-State Current），实际应用时，V AK通常是交流电压（如220V AC），因此常将此参数标记为通态平均电流IT（RMS），指可控硅元件可以连续通过的工频正弦半波电流（在一个周期内）的平均值，而此时流过G、K两极的电流即为门极电流IG（Gate Current），这个门极控制电流不应超过门极最大峰值电流IGM （Forward Peak Gate V oltage）当VAK是交流电源的负半周时，可控硅因为A、K两极加反向电压而阻断，此时允许施加的最大电压称为反向重复峰值电压VRRM（Peak Repetitive ReverseBlocking V oltage），由于可控硅阻断时的电阻不是无穷大，此时的电流称之为反向重复峰值电流IRRM（Peak Repetitive ReverseBlocking Current）。这两个值与之前介绍的IDRM、VDRM是一样的，只不过IDRM、VDRM是在控制G极断开、可控硅阻断状态下测量的，而IRRM、VRRM 是在可控硅A、K极接反向电压下测量的。如果在可控硅阳极A与阴极K间加上反向电压时，开始可控硅处于反向阻断状态，只有很小的反向漏电流流过。当反向电压增大到某一数值时，反向漏电流急剧增大，这时，所对应的电压称为反向不重复峰值电压VRSM（Peak Non-Repetitive

SurgeV oltage）。上面我们只是把R2（与R1）作为象征性