可控硅工作原理 

簡介

可控硅（Silicon Controlled Rectifier，簡稱SCR）是一種廣泛評估電力電子控制領(lǐng)域的半導(dǎo)體器件。它的主要功能是對電流進行調(diào)整和控制。作為一種大型功率半導(dǎo)體，可控硅器件在交流電中和直流電的轉(zhuǎn)換、調(diào)壓、調(diào)速等方面都有重要的應(yīng)用。本文將詳細介紹硅可控的結(jié)構(gòu)、工作原理、觸發(fā)特性以及其在實際應(yīng)用中的一些典型案例。

可控硅設(shè)計

可控硅是一種四層三端器件，具有三個電極：陽極（Anode，A）、陰極（Cathode，K）和控制極（Gate，G）。從結(jié)構(gòu)上看，可控硅由PNPN四層結(jié)構(gòu)組成，即P1-N1-P2-N2四層。陽極連接P1層，陰極連接N2層，控制極連接P2層。

在可控硅內(nèi)部，P1層和N1層形成第一個PN結(jié)J1，N1層和P2層形成第二個PN結(jié)J2，P2層和N2層形成第二個PN結(jié)J3。正時，可控硅的陽極和陰極之間的電壓決定了J1和J3的吸附狀態(tài)，而控制極上的電流則用來控制J2的狀態(tài)。

可控硅的工作原理

可控硅的工作狀態(tài)主要有：斷態(tài)、導(dǎo)通態(tài)和維持導(dǎo)通態(tài)。

1. 斷態(tài)（Forward Blocking State）：當(dāng)陽極接正電壓，陰極接負電壓，控制極無信號時，可控硅出現(xiàn)斷態(tài)。其次，PNJ1和J3結(jié)正偏，而J2反偏，阻止電流通過。因此，陽極和陰極之間有電壓，但盡管電流幾乎為零。

2. 導(dǎo)通狀態(tài)（Forward Conducting State）：當(dāng)陽極和陰極間電壓達到一定值且控制極施加正向觸發(fā)脈沖時，J2由反偏轉(zhuǎn)為正偏。此時，可控硅迅速導(dǎo)通，陽極電流流過整個器件。通導(dǎo)后，即使控制極信號取消，可控硅仍能維持導(dǎo)通狀態(tài)，直到陽極電流恢復(fù)到維持電流以下。

3. 維持導(dǎo)通狀態(tài)（Latching State）：在導(dǎo)通狀態(tài)下，若陽極電流一直處于維持電流，可控硅將保持導(dǎo)通。維持電流是可控硅保持導(dǎo)通的最小電流。僅有陽極電流不低于該值，即使控制極沒有信號，可控硅仍會維持導(dǎo)通。

可控硅的觸發(fā)特性

可控硅的觸發(fā)特性是其工作原理的重要組成部分。觸發(fā)特性描述了控制電流極如何影響可控硅從斷態(tài)轉(zhuǎn)為通導(dǎo)態(tài)。一般來說，觸發(fā)電流增大，所需的陽極電壓越低。

1. 正向觸發(fā)：在陽極正向電壓的情況下，通過控制極施加一個短暫的正向脈沖電流，可以使J2結(jié)反偏轉(zhuǎn)為正偏，從而使可控硅導(dǎo)通。這是最常見的觸發(fā)方式。

2. 反向觸發(fā)：反向觸發(fā)很少使用，通常用于特定應(yīng)用。此時，通過控制施加極負向脈沖電流，可以在特定條件下觸發(fā)可控硅。

3. 光觸發(fā)可控硅（Light Activated SCR, LASCR）是一種特殊類型的可控硅，通過光信號來觸發(fā)。光觸發(fā)技術(shù)使得LASCR適用于一些電磁干擾的環(huán)境中。

可控硅的實際應(yīng)用

可控硅在實際應(yīng)用中具有多種用途，以下是一些典型案例：

1. 整流器：硅可控整流器利用其可控性，將交流電轉(zhuǎn)為直流電，并通過調(diào)整觸發(fā)角度來控制輸出電壓的大小。這種應(yīng)用廣泛用于電源轉(zhuǎn)換和電池充電等領(lǐng)域。

2. 調(diào)光器：在燈光調(diào)光電路中，通過調(diào)節(jié)可控硅的觸發(fā)角度，可以改變燈泡的電流，從而控制燈光的亮度。這種方法既簡單又有效，常見于家庭和商業(yè)照明系統(tǒng)。

3. 調(diào)速器：在電動機調(diào)速器中，可控硅通過改變觸發(fā)角度來調(diào)整電動機的輸入電壓，從而實現(xiàn)電動機的調(diào)速控制。這在工業(yè)自動化中具有重要意義。

4. 過壓保護：可控硅基板用于過壓保護電路。當(dāng)電壓預(yù)定超過值時，可控硅導(dǎo)通，保護后續(xù)電路基板過壓損害。

結(jié)論

可控硅作為一種重要的電力電子器件，其工作原理基于PNPN四層結(jié)構(gòu)和控制極觸發(fā)機制。通過控制觸發(fā)信號，可控硅能夠在斷態(tài)和導(dǎo)通態(tài)之間切換，實現(xiàn)對電流的控制有效控制。憑借其高效的調(diào)節(jié)和調(diào)節(jié)能力，可控硅在電源轉(zhuǎn)換、調(diào)光、調(diào)速等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷進步，可控硅的性能和應(yīng)用范圍將進一步擴大，繼續(xù)為現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展提供重要支撐。