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【Hardware】【单向可控硅基础知识】

可控硅,英文全称 Silicon Controlled Rectifier,为一种大功率器件。具有体积小、效率高、寿命长的优点。通常分为单向可控硅(SCR)和双向可控硅(TRIAC)。双向可控硅相当于两个单向可控硅的反向并联,具有双向导通功能,通断由控制极G决定:在控制极G上加上正脉冲(负脉冲)可使其正向(反向)导通,常用于交流无触点开关的应用。

我们以单向可控硅为例来进行介绍。

单向可控硅等效结构:

单向可控硅的等效结构如下图所示:

【Hardware】【单向可控硅基础知识】

可控硅内部分为四层 P-N-P-N,组成三个PN结,对外引出三个电极:

  • 阳极A:最外层P型半导体材料引出;
  • 门极G:中间层P型半导体材料引出;
  • 阴极K:最外层N型半导体材料引出。

等效为上图最右侧的两个三极管电路。

单向可控硅工作原理:
  • 在AK之间添加电压VAK,此时Q1、Q2未导通,A、K之间无电流流过。
  • 在GK之间添加电压VGK,Q2导通,基极产生电流 IB2,Q2对基极电流IB2进行放大,得到相应的集电极电流 IC2(IB2*β2)
  • 此时,IC2仍然比较小,即IB1比较小,IA处已经有微弱的电流,流经电阻R2,一个初步的完整回路已经建立
  • Q1借助微小的IB1和IA1,也进入放大状态(微导通)。又IB1=IC2,IB1经过Q1放大之后,IC1=IB2β2β1
  • IC1的电流又流入Q2基极,成为彼时IB2的一部分,这个更大的电流逐次又被放大,周而复始
    【Hardware】【单向可控硅基础知识】
  • 最终Q1、Q2饱和,AK之间的压降很小,即为 VBE1+VCE2
  • 此时,VAK的电压基本全部加在了R2上。
    【Hardware】【单向可控硅基础知识】

实际设计中,R2通常为某一负载,比如为电灯泡。在可控硅导通之后,灯泡便被点亮。

如果此时我们拿掉VGK,灯泡会熄灭么?很遗憾,并不会,灯泡依然被点亮。

单向可控硅参数:

常用的 MCR12DG V/I 特性曲线如下:

【Hardware】【单向可控硅基础知识】
  • VDRM: Peak Repetitive Off State Forward Voltage,可控硅关断状态下的最大正向电压
  • IDRM: Peak Forward Blocking Current,可控硅关断状态下的最大正向电流
  • VRRM : Peak Repetitive Off State Reverse Voltage,可控硅关断状态下的最大反向电压
  • IRRM : Peak Reverse Blocking Current,可控硅关断下的最大反向电流
  • VTM : Peak On State Voltage,可控硅导通状态下VAK的最大正向电压
  • IH : Holding Current , 保持可控硅处于导通状态所需的最小电流,又称为维持电流
  • IL : Latch Current,可控硅从关断转入导通状态,并移除G极触发信号后,能维持导通所需的最小电流
  • VGT : Minimum Gate Trigger Voltage,施加在GK上,可触发可控硅导通的最小电压值
  • IGT : Gate Trigger [email protected],GK上施加VGT时对应的G极电流值
  • IT : On State RMS Current(RMS when ac power applied),可控硅导通后,流过AK之间的电流。若VAK为交流电时,此参数以RMS计算
  • IGM : Forward Peak Gate Current,G极正向最大电流值
单向可控硅导通、关闭总结:

1. 从关断到导通

  • 阳极电位高于阴极电位,即VAK>0
  • 控制极有足够的正向电压和电流

两者缺一不可。

2. 维持导通

  • 阳极电位高于阴极电位
  • 阳极电流大于维持电流

两者缺一不可。

3. 从导通到关断

  • 阳极电位低于阴极电位
  • 阳极电流小于维持电流

任一条件即可。

单向可控硅简单仿真电路:

使用 LTspice 简单定性测试可控硅的导通性能。

电路图如下:

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仿真结果如下:

【Hardware】【单向可控硅基础知识】
  • 绿色为V2:正弦波,50Hz,幅度20V
  • 蓝色为V1:G极控制脉冲信号,脉冲幅值10V,脉冲宽度2ms,周期10ms,delay为0.5ms
  • 红色为U1:可控硅阳极处的波形。

    正弦波正半周:G极为高电平时,可控硅导通,U1电压很低;G极为低电平时,可控硅不导通;

    正弦波负半周:无论G极为高还是为低,由于VAK<0,可控硅均不导通。

参考资料:

  • 可控硅工作原理及参数详解
  • 单向可控硅的使用方法和介绍

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