可控硅的原理和作用

在高速風(fēng)筒方案開發(fā)中，可控硅是必不可少的元器件之一?？煽毓枋强煽毓枵髟暮喎Q，是一種具有三個PN 結(jié)的四層結(jié)構(gòu)的大功率半導(dǎo)體器件，一般由兩晶閘管反向連接而成。它的出現(xiàn)，使半導(dǎo)體技術(shù)從弱電領(lǐng)域進(jìn)入了強(qiáng)電領(lǐng)域，成為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、軍事科研以至商業(yè)、民用電器等方面爭相采用的元件。目前可控硅在自動控制、機(jī)電應(yīng)用、工業(yè)電氣及家電等方面都有廣泛的應(yīng)用。

可控硅從外形上區(qū)分主要有螺旋式、平板式和平底式三種。螺旋式應(yīng)用較多。

可控硅包含三個極，分別為陽極（A）、陰極（C）和控制極（G）。其管芯由P型導(dǎo)體和N型導(dǎo)體交替組成，形成獨(dú)特的四層結(jié)構(gòu)，包含三個PN結(jié)，這與僅含一個PN結(jié)的硅整流二極管在結(jié)構(gòu)上存在顯著差異?？煽毓璧乃膶咏Y(jié)構(gòu)與控制極的引入，為其展現(xiàn)“以小控大”的卓越控制性能提供了基礎(chǔ)。

在應(yīng)用過程中，僅需對控制極施加微弱的電流或電壓，便能實(shí)現(xiàn)對陽極電流或電壓的顯著調(diào)控。目前，可控硅元件的電流容量已達(dá)到幾百安培甚至上千安培的水平。通常，將電流容量在5安培以下的可控硅定義為小功率可控硅，而50安培以上的則稱為大功率可控硅。

經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)分析，我們可以將晶體管的構(gòu)造理解為：從陰極起始的第一、二、三層構(gòu)成一只NPN型晶體管，而二、三、四層則組合成另一只PNP型晶體管。在這其中，第二和第三層為兩只晶體管所共用。基于這一構(gòu)造，我們可以繪制出等效電路圖（如圖1所示）。

當(dāng)在陽極和陰極之間施加正向電壓E，同時在控制極G和陰極C之間（對應(yīng)于BG2的基極與發(fā)射極之間）輸入一個正向觸發(fā)信號時，BG2將產(chǎn)生基極電流Ib2。經(jīng)過放大過程，BG2將輸出一個放大了β2倍的集電極電流IC2。由于BG2的集電極與BG1的基極相連，因此IC2將作為BG1的基極電流Ib1。接下來，BG1將把Ib1（或Ib2）放大β1倍，產(chǎn)生集電極電流IC1，該電流將被送回BG2的基極進(jìn)行進(jìn)一步放大。這一過程將持續(xù)循環(huán)放大，直至BG1和BG2完全導(dǎo)通。

實(shí)際上，這一過程極為迅速，對于可控硅而言，一旦觸發(fā)信號施加到控制極，可控硅將立即導(dǎo)通。導(dǎo)通時間的長短主要取決于可控硅的性能特性。

由于可控硅只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài)，所以它具有開關(guān)特性，這種特性需要一定的條件才能轉(zhuǎn)化，此條件見表1

應(yīng)用實(shí)例展示中，可控硅在電路設(shè)計(jì)中展現(xiàn)出多樣化的應(yīng)用方式，特別是在其柵極觸發(fā)回路的設(shè)計(jì)上。這些設(shè)計(jì)可概括為直流觸發(fā)電路、交流觸發(fā)電路以及相位觸發(fā)電路等多種類型。

直流觸發(fā)電路：

如圖2所示，這是一項(xiàng)常用于電視機(jī)的過壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)。當(dāng)E+電壓異常升高時，A點(diǎn)的電壓也會相應(yīng)提升。一旦A點(diǎn)的電壓超過穩(wěn)壓管DZ的穩(wěn)壓值，穩(wěn)壓管DZ將導(dǎo)通，進(jìn)而觸發(fā)可控硅D的導(dǎo)通。這會導(dǎo)致E+電源短路，使保險(xiǎn)絲RJ熔斷，從而有效地實(shí)現(xiàn)了對電路的過壓保護(hù)作用。

相位觸發(fā)電路：

相位觸發(fā)電路實(shí)際上是交流觸發(fā)電路的一種，如圖3，這個電路的方法是利用RC回路控制觸發(fā)信號的相位。當(dāng)R值較少時，RC時間常數(shù)較少，觸發(fā)信號的相移A1較少，因此負(fù)載獲得較大的電功率；當(dāng)R值較大時，RC時間常數(shù)較大，觸發(fā)信號的相移A2較大，因此負(fù)載獲得較少的電功率。這個典型的電功率無級調(diào)整電路在日常生活中有很多電氣產(chǎn)品中都應(yīng)用它。

1、 額定通態(tài)平均電流

在一定條件下，陽極---陰極間可以連續(xù)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

在控制極開路未加觸發(fā)信號，陽極正向電壓還未超過導(dǎo)能電壓時，可以重復(fù)加在可控硅兩端的正向峰值電壓?？煽毓璩惺艿恼螂妷悍逯担荒艹^手冊給出的這個參數(shù)值。

3、 反向陰斷峰值電壓

當(dāng)可控硅加反向電壓，處于反向關(guān)斷狀態(tài)時，可以重復(fù)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(shù)值。

4、 控制極觸發(fā)電流

在規(guī)定的環(huán)境溫度下，陽極---陰極間加一定電壓，使可控硅從關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)所需要的最小控制極電流和電壓。

5、 維持電流

在規(guī)定溫度下，控制極斷路，維持可控硅導(dǎo)通所必需的最小陽極正向電流。

可控硅的作用之一就是可控整流，這也是可控硅最基本也最重要的作用。大家所熟知的二極管整流電路只可完成整流的功能，并沒有實(shí)現(xiàn)可控，而一旦把二極管換做可控硅，便構(gòu)成了一個可控整流電路。

在一個最基本的單相半波可控整流電路中，當(dāng)正弦交流電壓處于正半周時，只有在控制極外加觸發(fā)脈沖時，可控硅才被觸發(fā)導(dǎo)通，負(fù)載上才會有電壓輸出，因此可以通過改變控制極上觸發(fā)脈沖到來的時間，來進(jìn)一步調(diào)節(jié)負(fù)載上輸出電壓的平均值，達(dá)到可控整流的作用。

可控硅的作用之二就是用作無觸點(diǎn)開關(guān)，經(jīng)常用于自動化設(shè)備中，代替通用繼電器，具有無噪音、壽命長的特點(diǎn)。

可控硅的作用三：開關(guān)和調(diào)壓作用

可控硅的作用之三就是起到開關(guān)和調(diào)壓的作用，經(jīng)常應(yīng)用于交流電路中，由于其被觸發(fā)時間不同，因此通過它的電流只有其交流周期的一部分，通過它的電壓只有全電壓的一部分，因而起到調(diào)節(jié)輸出電壓的作用。