最简单的可控硅开关(什么是可控硅?它的结构、原理、作用及型号介绍)

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最简单的可控硅开关(什么是可控硅?它的结构、原理、作用及型号介绍)

一种以硅单晶为基本材料的P1N1P2N2四层三端器件创制于1957年由于它特性类似于真空闸流管所以国际上通称为硅晶体闸流管简称可控硅T。又由于可控硅最初应用于可控整流方面所以又称为硅可控整流元件简称为可控硅SCR。

在性能上可控硅不仅具有单向导电性而且还具有比硅整流元件(俗称“死硅”)更为可贵的可控性。它只有导通和关断两种状态。

可控硅能以毫安级电流控制大功率的机电设备如果超过此频率因元件开关损耗显著增加允许通过的平均电流相降低此时标称电流应降级使用。

可控硅的优点很多例如以小功率控制大功率功率放大倍数高达几十万倍;反应极快在微秒级内开通、关断;无触点运行无火花、无噪音;效率高成本低等等。

可控硅的弱点静态及动态的过载能力较差;容易受干扰而误导通。

可控硅从外形上分类主要有螺栓形、平板形和平底形。

1、可控硅元件的结构

不管可控硅的外形如何它们的管芯都是由P型硅和N型硅组成的四层P1N1P2N2结构。见图1。它有三个PN结(J1、J2、J3)从J1结构的P1层引出阳极A从N2层引出阴级K从P2层引出控制极G所以它是一种四层三端的半导体器件。

2、 工作原理

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

图1、可控硅结构示意图和符号图

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=β2ib2。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=β1ib1=β1β2ib2。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。

由于BG1和BG2所构成的正反馈作用所以一旦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的。

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

可控硅的基本伏安特性见图2

图2 可控硅基本伏安特性

(1)反向特性

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

(2)正向特性

当控制极开路阳极上加上正向电压时(见图4)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

图4 阳极加正向电压

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。

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

2、 触发导通

图5 阳极和控制极均加正向电压

3、可控硅在电路中的主要用途是什么?

普通可控硅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。如果把二极管换成可控硅就可以构成可控整流电路。现在我画一个最简单的单相半波可控整流电路〔图4(a)〕。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UgVS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时可控硅被触发导通。现在画出它的波形图〔图4(c)及(d)〕可以看到只有在触发脉冲Ug到来时负载RL上才有电压UL输出(波形图上阴影部分)。Ug到来得早可控硅导通的时间就早;Ug到来得晚可控硅导通的时间就晚。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(阴影部分的面积大小)。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α;在每个正半周内可控硅导通的电角度叫导通角θ。很明显α和θ都是用来表示可控硅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α或导通角θ改变负载上脉冲直流电压的平均值UL实现了可控整流。

4、 在桥式整流电路中,把二极管都换成可控硅是不是就成了可控整流电路了呢?

在桥式整流电路中只需要把两个二极管换成可控硅就能构成全波可控整流电路了。现在画出电路图和波形图(图5)就能看明白了

5、可控硅控制极所需的触发脉冲是怎么产生的呢?

可控硅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、利用小可控硅触发大可控硅的触发电路等等。

6、什么是单结晶体管?它有什么特殊性能呢?

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(图6)。我们先画出它的结构示意图〔图7(a)〕。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B1、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〔图7(b)〕。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UE

7、怎样利用单结晶体管组成可控硅触发电路呢?

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。

8、在可控整流电路的波形图中,发现可控硅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α和导通角θ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?

为了实现整流电路输出电压“可控”必须使可控硅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。怎样才能做到同步呢?大家再看调压器的电路图(图1)。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。在可控硅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可控硅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可控硅的控制角使负载RL上输出电压的平均值发生变化达到调压的目的。

双向可控硅的T1和T2不能互换。否则会损坏管子和相关的控制电路。

常用可控硅型号:

1、KK系列快速可控硅电流<?xml:namespace prefix = st1 />200A-3000A / 电压800V-3000V

2、KP系列普通可控硅电流200A-3500A / 电压400V-4000V

3、KS系列双向可控硅电流200A-800A / 电压500V-1800V

4、KA系列高频可控硅电流200A-1200A / 电压800V-1400V

5、KE系列逆变电焊机专用可控硅电流200A、300A / 电压800V-1300V

6、ZE系列逆变电焊机专用二极管电流300A、500A / 电压600V-1300V

7、ZK系列快恢复二极管电流200A-3500A / 电压200V-2000V

8、ZP系列整流二极管电流200A-6300A / 电压200V-3800V

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