深入解析可控硅：工作原理、電路設計與應用

可控硅對于硬件工程師來(lái)說(shuō)是個(gè)重要的元器件，對于一個(gè)合格的硬件工程師來(lái)說(shuō)，必須要掌握可控硅的電路設計?？煽毓柙诟鱾€(gè)領(lǐng)域應用廣泛，常用來(lái)做各種大功率負載的開(kāi)關(guān)。相比繼電器，可控硅有很多優(yōu)勢，繼電器在開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)會(huì )產(chǎn)生電火花，在某些工業(yè)環(huán)境由于安全原因這是不允許的，繼電器在開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)觸點(diǎn)會(huì )發(fā)生氧化，影響繼電器壽命，而這些缺點(diǎn)可控硅都能避免。

可控硅(Silicon Controlled Rectifier) 簡(jiǎn)稱(chēng)SCR，可控硅分單向可控硅和雙向可控硅兩種。雙向可控硅也叫三端雙向可控硅，簡(jiǎn)稱(chēng)TRIAC。雙向可控硅在結構上相當于兩個(gè)單向可控硅反向連接，這種可控硅具有雙向導通功能。其通斷狀態(tài)由控制極G決定。在控制極G上加正脈沖(或負脈沖)可使其正向(或反向)導通。

單向可控硅工作原理

單向可控硅的電流是從陽(yáng)極流向陰極，交流電過(guò)零點(diǎn)時(shí)截止，如圖交流電的負半周時(shí)，單向可控硅是不導通的，在正半周時(shí)，只有控制柵極有觸發(fā)信號時(shí)，可控硅才導通。

雙向可控硅工作原理

雙向可控硅的電流能從T1極流向T2極,也能從T2極流向T1極，交流電過(guò)零點(diǎn)時(shí)截止，只有控制柵極有正向或負向的觸發(fā)信號時(shí)，可控硅才導通。

接下來(lái)我們講解下使用最多的雙向可控硅的一些電路應用

上圖中，VCC和交流電其中一端是連接在一起的，這樣就能保證單片機是輸出低電平信號觸發(fā)可控硅，這樣可控硅觸發(fā)工作在第3象限，上圖中避免可控硅觸發(fā)使用高電平信號，避免可控硅觸發(fā)工作在第4象限。若運行在第4象限由于雙向可控硅的內部結構，門(mén)極離主載流區域較遠，導致需要更高的Igt,由 Ig 觸發(fā)到負載電流開(kāi)始流動(dòng)，兩者之間遲后時(shí)間較長(cháng),導致要求 Ig 維持較長(cháng)時(shí)間,另外一個(gè)缺點(diǎn)就是會(huì )導致低得多的 dIT/dt 承受能力，若控制負載具有高dI/dt 值（例如白熾燈的冷燈絲），門(mén)極可能發(fā)生強烈退化。查閱可控硅BT134器件規格書(shū)，也明確說(shuō)明觸發(fā)工作在第4象限，Igt需求更大。

如下圖：

上圖第1個(gè)主要是應用在低端類(lèi)的產(chǎn)品上，常見(jiàn)的如家里的吊扇，第2個(gè)圖加入單片機控制。

其它應用場(chǎng)合

電路的觸發(fā)方式

柵極電路

上圖是主要的可控硅柵極的觸發(fā)電路

雙向可控硅的應用主要事項：

1.在使用雙向可控硅控制電感性負載時(shí)，一般要如下面所示連接 RC 吸收電路 ， 以抑制施加到器件上的 (dv/dt)c 值。當用雙向可控硅開(kāi)關(guān)控制電感性負載（L型負載）時(shí)，如在轉換期間由于電流延遲的作用， (di/dt)c 和 (dv/dt)c 超過(guò)某個(gè)值時(shí)，可能因為(di/dt)c 和(dv/dt)c，不需柵極信號而進(jìn)入導通狀態(tài)，從而變得無(wú)法控制。

RC吸收回路的參數取值，我們常見(jiàn)的馬達控制場(chǎng)合，常用的選取電阻為100歐。電容為0.01uF. 而起到噪聲保護的作用的，接在控制柵極和T1之間的電阻和電容的參數，可根據環(huán)境和EMC效果酌情選取。

2.根據公式，Rg=(Vcc-Vgt)/Igt（Rg為柵極電阻），柵極電流和柵極電阻Rg和柵極電壓Vgt有關(guān)。

柵極觸發(fā)電流Igt的設定，應有足夠的余量，要充分考慮低溫最?lèi)毫拥沫h(huán)境，可控硅的結溫特性確定了在低溫下的Igt需求更大，如下圖：

柵極觸發(fā)電流Igt的設定，還需考慮柵極觸發(fā)電壓Vgt的因素，同樣，也要充分考慮低溫最?lèi)毫拥沫h(huán)境，可控硅的結溫特性確定了在低溫下的Vgt需求更大，如下圖：

考慮以上兩個(gè)因素，設定柵極電流Igt時(shí)，通常按規格書(shū)要求的1.5倍來(lái)設定，故柵極電阻Rg的選取需謹慎選取。

3.當遇到嚴重的、異常的電源瞬間過(guò)程， T2上 電壓可能超過(guò) VDRM，此時(shí) T2 和 T1 間的漏電將達到一定程度，并使雙向可控硅自發(fā)導通，

若負載允許高涌入電流通過(guò)，在硅片導通的小面積上可能達到極高的局部電流密度。這可能導致硅片

的燒毀。白熾燈、電容性負載和消弧保護電路都可能導致強涌入電流。由于超過(guò) VDRM 或 dVD/dt 導致雙向可控硅導通，這不完全威脅設備安全。而是隨之而來(lái)的 dIT/dt 很可能造成破壞。原因是，導通擴散至整個(gè)結需要時(shí)間，此時(shí)允許的 dIT/dt 值低于正常情況下用門(mén)極信號導通時(shí)的允許值。假如過(guò)程中限制 dIT/dt 到一較低的值，雙向可控硅可能可以幸存。為此，可在負載上串聯(lián)一個(gè)幾μH的不飽和（空心）電感。如上述解決方法不能接受，或不實(shí)際時(shí)，可代替的方法是增加過(guò)濾和箝位電路，防止尖峰脈沖到達雙向可控硅。使用壓敏電阻器，作為“軟”電壓箝位器，跨接在電源上， 壓敏電阻上游增加電感、電容濾波電路。

4.通常具有高初始涌入電流的常見(jiàn)負載是白熾燈，冷態(tài)下電阻低。對于這種電阻性負載，若在電源電壓的峰值開(kāi)始導通， dIT/dt 將具有最大值。假如這值有可能超過(guò)雙向可控硅的 dIT/dt 值，最好在負載上串聯(lián)一只幾μH 的電感加以限制，或串聯(lián)負溫度系數的熱敏電阻。需要注意的是，電感在最大電流下不能飽和。一旦飽和，電感將跌落，再也不能限制 dIT/dt。無(wú)鐵芯的電感符合這個(gè)條件。一個(gè)更巧妙的解決辦法是采用零電壓導通，不必接入任何限制電流的器件。電流可以從正弦波起點(diǎn)開(kāi)始逐漸上升。

注意：零電壓導通只能用在電阻性負載。對于電感性負載，由于電壓和電流間存在相位差，使用這方法會(huì )引起“半波”或單極導通，可能使電感性負載飽和，導致破壞性的高峰電流，以及過(guò)熱。

審核編輯：黃飛