、可控硅的概念和结构？入 晶闸管又叫可控硅(Silicon Controlled Rectifier, SCR)。自从 20 世纪 50 年代问世以来已经发展成了一个大的家族，它的主要成员有单向晶闸 管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶 闸管，等等。今天大家使用的是单向晶闸管，也就是人们常说的普通 晶闸管，它是由四层半导体材料组成的，有三个PN结，对外有三个 电极图2(a)：第一层P型半导体引出的电极叫阳极A,第三层P 型半导体引出的电极叫控制极G,第四层N型半导体引出的电极叫 阴极K。从晶闸管的电路符号图2(b)可以看到，它和二极管一样 是一种单方向导电的器件，关键是多了一个控制极G，这就使它具有 与二极管完全不同的工作特性。入 入二、晶闸管的主要工作特性。晶闸管VS与小灯泡EL串联起来，通过开关S接在直流电源上。注 意阳极A是接电源的正极，阴极K接电源的负极，控制极G通过按 钮开关SB接在3V直流电源的正极(这里使用的是KP5型晶闸管，若 采用KP1 型,应接在1.5V直流电源的正极)。晶闸管与电源的这种连 接方式叫做正向连接，也就是说，给晶闸管阳极和控制极所加的都是 正向电压。现在我们合上电源开关S,小灯泡不亮，说明晶闸管没有 导通；再按一下按钮开关SB,给控制极输入一个触发电压，小灯泡 亮了，说明晶闸管导通了。这个演示实验给了我们什么启发呢？可控 硅入 这个实验告诉我们，要使晶闸管导通，一是在它的阳极A与阴 极K之间外加正向电压，二是在它的控制极G与阴极K之间输入一 个正向触发电压。晶闸管导通后，松开按钮开关，去掉触发电压，仍 然维持导通状态。入 晶闸管的特点：是“一触即发”。但是，如果 阳极或控制极外加的是反向电压，晶闸管就不能导通。控制极的作用 是通过外加正向触发脉冲使晶闸管导通，却不能使它关断。那么，用 什么方法才能使导通的晶闸管关断呢?使导通的晶闸管关断，可以断 开阳极电源（图3中的开关S）或使阳极电流小于维持导通的最小值（称 为维持电流）。如果晶闸管阳极和阴极之间外加的是交流电压或脉动 直流电压，那么，在电压过零时，晶闸管会自行关断。三、用万用表可以区分晶闸管的三个电极吗？怎样测试晶闸管的好坏 呢?入普通晶闸管的三个电极可以用万用表欧姆挡Rx100挡位来测。大家 知道，晶闸管G、K之间是一个PN结图2（a），相当于一个二极管， G为正极、K为负极，所以，按照测试二极管的方法，找出三个极中 的两个极，测它的正、反向电阻，电阻小时，万用表黑表笔接的是控 制极G，红表笔接的是阴极K，剩下的一个就是阳极A 了。接通电 源开关S,按一下按钮开关SB，灯泡发光就是好的，不发光就是坏 的。A A四、晶闸管在电路中的主要用途是什么?入普通晶闸管最基本的用途就是可控整流。大家熟悉的二极管整流电路 属于不可控整流电路。如果把二极管换成晶闸管，就可以构成可控整 流电路、逆变、电机调速、电机励磁、无触点开关及自动控制等方面。在正弦交流电压U2的正半周期间，如果VS的控制极没有输入触发 脉冲Ug, VS仍然不能导通，只有在U2处于正半周，在控制极外加 触发脉冲Ug时，晶闸管被触发导通。只有在触发脉冲Ug到来时， 负载RL上才有电压UL输出。Ug到来得早，晶闸管导通的时间就早； Ug到来得晚，晶闸管导通的时间就晚。通过改变控制极上触发脉冲 Ug到来的时间，就可以调节负载上输出电压的平均值UL。在电工技 术中，常把交流电的半个周期定为180，称为电角度。这样，在U2 的每个正半周，从零值开始到触发脉冲到来瞬间所经历的电角度称为 控制角a；在每个正半周内晶闸管导通的电角度叫导通角0o很明显， a和0都是用来表示晶闸管在承受正向电压的半个周期的导通或阻断 范围的。通过改变控制角a或导通角0,改变负载上脉冲直流电压的 平均值UL,实现了可控整流。五、在桥式整流电路中，把二极管都换成晶闸管是不是就成了可控 整流电路了呢?入在桥式整流电路中，只需要把两个二极管换成晶闸管就能构成全波可 控整流电路了。六、晶闸管控制极所需的触发脉冲是怎么产生的呢?入晶闸管触发电路的形式很多，常用的有阻容移相桥触发电路、单结晶 体管触发电路、晶体三极管触发电路、利用小晶闸管触发大晶闸管的 触发电路，等等。今天大家制作的调压器，采用的是单结晶体管触发 电路。入七、什么是单结晶体管?它有什么特殊性能呢?入单结晶体管又叫双基极二极管，是由一个PN结和三个电极构成的半 导体器件。在一块N型硅片两端，制作两个电极，分别叫做第一基 极B1和第二基极B2；硅片的另一侧靠近B2处制作了一个PN结， 相当于一只二极管，在P区引出的电极叫发射极E。为了分析方便， 可以把Bl、B2之间的N型区域等效为一个纯电阻RBB，称为基区 电阻，并可看作是两个电阻RB2、RB1的串联。值得注意的是RB1 的阻值会随发射极电流IE的变化而改变，具有可变电阻的特性。如 果在两个基极B2、B1之间加上一个直流电压UBB，则A点的电压 UA为：若发射极电压UEvUA,二极管VD截止；当UE大于单结晶 体管的峰点电压UP(UP=UD+UA)时，二极管VD导通，发射极电流 IE注入RB1，使RB1的阻值急剧变小，E点电位UE随之下降，出 现了 IE增大UE反而降低的现象，称为负阻效应。发射极电流IE继 续增加，发射极电压UE不断下降，当UE下降到谷点电压UV以下 时，单结晶体管就进入截止状态。入八、怎样利用单结晶体管组成晶闸管触发电路呢?入单结晶体管组成的触发脉冲产生电路在今天大家制作的调压器中已 经具体应用了。为了说明它的工作原理，我们单独画出单结晶体管张 弛振荡器的电路(图8)。它是由单结晶体管和RC充放电电路组成的。 合上电源开关S后，电源UBB经电位器RP向电容器C充电，电容 器上的电压UC按指数规律上升。当UC上升到单结晶体管的峰点电 压UP时，单结晶体管突然导通，基区电阻RB1急剧减小，电容器C 通过PN结向电阻R1迅速放电，使R1两端电压Ug发生一个正跳变, 形成陡峭的脉冲前沿图8(b)。随着电容器C的放电，UE按指数 规律下降，直到低于谷点电压UV时单结晶体管截止。这样，在R1 两端输出的是尖顶触发脉冲。此时，电源UBB又开始给电容器C充 电，进入第二个充放电过程。这样周而复始，电路中进行着周期性的 振荡。调节RP可以改变振荡周期。入八、在可控整流电路的波形图中，发现晶闸管承受正向电压的每半 个周期内，发出第一个触发脉冲的时刻都相同，也就是控制角 a和导通角0都相等，那么，单结晶体管张弛振荡器怎样才能 与交流电源准确地配合以实现有效的控制呢?入为了实现整流电路输出电压“可控”，必须使晶闸管承受正向电压的每 半个周期内，触发电路发出第一个触发脉冲的时刻都相同，这种相互 配合的工作方式，称为触发脉冲与电源同步。入怎样才能做到同步 呢?大家再看调压器的电路图。请注意，在这里单结晶体管张弛振荡 器的电源是取自桥式整流电路输出的全波脉冲直流电压。在晶闸管没 有导通时，张弛振荡器的电容器C被电源充电，UC按指数规律上升 到峰点电压UP时，单结晶体管VT导通，在VS导通期间，负载RL 上有交流电压和电流，与此同时，导通的VS两端电压降很小，迫使 张弛振荡器停止工作。当交流电压过零瞬间，晶闸管VS被迫关断， 张弛振荡器得电，又开始给电容器C充电，重复以上过程。这样， 每次交流电压过零后，张弛振荡器发出第一个触发脉冲的时刻都相 同，这个时刻取决于RP的阻值和C的电容量。调节RP的阻值，就 可以改变电容器C的充电时间，也就改变了第一个Ug发出的时刻， 相应地改变了晶闸管的控制角，使负载RL上输出电压的平均值发生 变化，达到调压的目的。入 双向晶闸管的T1和T2不能互换。否则 会损坏管子和相关的控制电路。入入十、可控硅元件的工作原理 及基本特性电路入可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件,共有三 个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组 成，其等效图解如图1所示入 图1可控硅等效图解图入 当阳极A 加上正向电压时,BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极 G输入一个正向触发信号,BG2便有基流ib2流过，经BG2放大,其集电 极电流ic2邙2ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以 ib1=ic2。此时,电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流 ic1=piib1=pip2ib2o这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使ib2 不断增大，如此正向馈循环的结果,两个管子的电流剧增，可控硅使饱 和导通。入 由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，可控硅导通后, 即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发 信号只起触发作用，没有关断功能,所以这种可控硅是不可关断c所以 一旦的。入 由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开 关特性，这种特性需要一定的条件才能转化，此条件见表1入 表1可 控硅导通和关断条件入 状态条件说明入 从关断到导通1、阳极 电位高于是阴极电位入2、控制极有足够的正向电压和电流入 两者 缺一不可入 维持导通1、阳极电位高于阴极电位入2、阳极电流 大于维持电流入 两者缺一不可入 从导通到关断1、阳极电位低于 阴极电位入2、阳极电流小于维持电流入 任一条件即可入2、基 本伏安特性入可控硅的基本伏安特性见图2A图2可控硅基本伏安特性入（1）反向特性入 当控制极开路，阳极加上反向电压时（见 图3） J2结正偏，但J1、J2结反偏。此时只能流过很小的反向饱和电 流,当电压进一步提高到J1结的雪崩击穿电压后，接差J3结也击穿，电 流迅速增加，图3的特性开始弯曲,如特性OR段所示，弯曲处的电压 URO叫“反向转折电压”。此时，可控硅会发生永久性反向击穿。A 图 3阳极加反向电压入（2）正向特性入当控制极开路，阳极上加上正向电压时，J1、J3结正偏，但J2结反偏，这与普通PN结的反向特性相 似,也只能流过很小电流，这叫正向阻断状态，当电压增加，图3的特性 发生了弯曲,如特性OA段所示，弯曲处的是UBO叫：正向转折电压入 图4阳极加正向电压入 由于电压升高到J2结的雪崩击穿电压后,J2 结发生雪崩倍增效应，在结区产生大量的电子和空穴，电子时入N1区, 空穴时入P2区。进入N1区的电子与由P1区通过J1结注入N1区的 空穴复合，同样，进入P2区的空穴与由N2区通过J3结注入P2区的电 子复合，雪崩击穿，进入N1区的电子与进入P2区的空穴各自不能全部 复合掉，这样，在N1区就有电子积累，在P2区就有空穴积累,结果使P2 区的电位升高,N1区的电位下降,J2结变成正偏，只要电流稍增加，电压 便迅速下降，出现所谓负阻特性，见图3的虚线AB段。入 这时J1、 J2、J3三个结均处于正偏,可控硅便进入正向导电状态-通态，此时，它 的特性与普通的PN结正向特性相似，见图2中的BC段入3、触发导 通入 在控制极G上加入正向电压时（见图5）因J3正偏,P2区的空 穴时入N2区,N2区的电子进入P2区,形成触发电流IGT。在可控硅 的内部正反馈作用（见图2）的基础上，加上IGT的作用，使可控硅提 前导通，导致图3的伏安特性OA段左移,IGT越大，特性左移越快。入 图5阳极和控制极均加正向电压入 入 十一、可控硅参数符号入 参数符号说明：入IT(AV)-通态平均电流入VRRM-反向重复峰 值电压入IDRM-断态重复峰值电流入ITSM-通态一个周波不重 复浪涌电流入 VTM-通态峰值电压入IGT-门极触发电流 入 VGT-门极触发电压入IH-维持电流入dv/dt-断态电压临界上升 率入di/dt-通态电流临界上升率 入 Rthjc-结売热阻 入 VISO- 模块绝缘电压入Tjm-额定结温入 VDRM-通态重复峰值电压入 IRRM-反向重复峰值电流 入IF(AV)-正向平均电流入