特种器件原理简介 晶闸管（可控硅）
特种器件原理简介 ——晶闸管（可控硅）
概述 晶闸管SCR(Silicon Controlled Rectifier) 又称：晶体闸流管(Thyristor),可控硅整流器。 1956年美国贝尔实验室(Bell Lab)发明了晶闸管； 1957年美国通用电气公司(GE)开发出第一只晶闸管 产品； ● 1958年商业化；开辟了电力电子技术迅速发展和广泛 应用的崭新时代； 。20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取 代
概述 ⚫ 晶闸管SCR（ Silicon Controlled Rectifier） 又称：晶体闸流管(Thyristor)，可控硅整流器。 ⚫ 1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管； ⚫ 1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管 产品； ⚫ 1958年商业化；开辟了电力电子技术迅速发展和广泛 应用的崭新时代； ⚫ 20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取 代
概述 一 种以硅单晶为基本材料的P1N1P2N2四 层三端器件，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 简称晶闸管Thyristor。又由于晶闸管最 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(Silicon Controlled Rectifier -SCR
概述 ⚫ 一种以硅单晶为基本材料的P1N1P2N2四 层三端器件，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， 简称晶闸管Thyristor 。又由于晶闸管最 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（ Silicon Controlled Rectifier ——SCR ）
概述 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（谷称“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。 晶闸管可分单向晶闸管、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
概述 ⚫ 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（谷称“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。 ⚫ 晶闸管可分单向晶闸管、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
概述 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。 可控硅的弱点有静态及动态的过载能力较 差；容易受干扰而误导通
概述 ⚫ 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。 ⚫ 可控硅的弱点有静态及动态的过载能力较 差；容易受干扰而误导通
概述 ● 普通可控硅主要用于大功率的交直流变换、调压等。 ● 双向可控硅主要用于电机控制、电磁阀控制、调温及调 光控制等方面。 可控硅的三个电极分别用字母A(表示阳极)、K(表示 阴极)、G(表示门极) 阴极 MT2 K 电极2 G 控制极 门极〔控制极) G A 阳极 电极1 MT1
概述 ⚫ 普通可控硅主要用于大功率的交直流变换、调压等。 ⚫ 双向可控硅主要用于电机控制、电磁阀控制、调温及调 光控制等方面 。 ⚫ 可控硅的三个电极分别用字母A(表示阳极)、K（表示 阴极）、G（表示门极）
单向可控硅的结构 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。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。 A(阳极) A P1 个 四层半 PN N1 结 P2 导体 G(控制极 N2 K K(阴极) 可控硅结构示意图和符号图
单向可控硅的结构 ⚫ 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。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。 ⚫ 可控硅结构示意图和符号图
单向可控硅的工作原理 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，其等效图解如下图所示： P1 P1 NI NI NI G G P2 P2 P2 Big N2 N2 K K K 可控硅等效图解图
单向可控硅的工作原理 ⚫ 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，其等效图解如下图所示： ⚫ 可控硅等效图解图
单向可控硅的工作原理 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=B2Ib2。 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=B1Ib1=B1B2Ib2。这个电流又流回到BG2的基极，表 成正反馈，使62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 2 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
单向可控硅的工作原理 ⚫ 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
单向可控硅的工作原理 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 见下表： 状态 条件 说明 从关断到导通 1、阳极电位高于是阴极电位 两者缺 2、控制极有足够的正向电压 不可 和电流 维持导通 1、阳极电位高于阴极电位 两者缺 2、阳极电流大于维持电流 不可 从导通到关断 1、阳极电位低于阴极电位 任一条 2、阳极电流小于维持电流 件即可
单向可控硅的工作原理 ⚫ 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 见下表： 状态 条件 说明 从关断到导通 1、阳极电位高于是阴极电位 2、控制极有足够的正向电压 和电流 两者缺 一不可 维持导通 1、阳极电位高于阴极电位 2、阳极电流大于维持电流 两者缺 一不可 从导通到关断 1、阳极电位低于阴极电位 2、阳极电流小于维持电流 任一条 件即可