可控硅

在本教程中,我们将学习可控硅整流器(SCR)。我们将学习它的符号,结构,工作,打开和关闭方法和一些应用。

介绍

可控硅(SCR)是可控硅家族中最重要和最常用的成员。可控硅可用于不同的应用,如整流,功率调节和逆变等。像一个二极管,可控硅是一个单向设备,允许电流在一个方向和反对在另一个方向。

可控硅是一种三端设备;如图所示,阳极,阴极和栅极。可控硅已内置功能,以打开或关闭,其开关是由偏置条件和栅极输入终端控制。

这就导致了通过改变可控硅的ON周期来改变负载时的平均功率。它可以处理数千种电压和电流。可控硅符号及其端子如图所示。

可控硅的象征

回到顶部

可控硅整流器结构

可控硅是一个四层三端器件。由P层和N层组成的四层交替排列,形成J1、J2和J3三个节点。根据结构的类型,这些接头可以是合金的,也可以是扩散的。

外层(P和n层)是重掺杂,而中层P和n层是轻掺杂。栅极端取于中间P层,阳极取于外层P层,阴极取于N层端。可控硅是由硅制成的,因为与锗相比,硅中的漏电流非常小。

可控硅内部结构

SCR的制造采用了三种结构,即平面式、台面式和压包式。对于低功率可控硅,平面结构是使用在一个可控硅的所有结是扩散。在台面型结构中,J2结是通过扩散法形成的,因此外层合金到它。

这种结构主要用于大功率可控硅整流器。为了提供高的机械强度,SCR用钼或钨组成的板支撑。这些板之一是焊接到铜螺柱,进一步螺纹连接散热器。

回到顶部

可控硅的工作或操作模式

根据给定的可控硅偏置,可控硅的运行分为三种模式。他们是

  1. 向前阻塞模式
  2. 正向传导模式
  3. 反向阻断方式

向前阻塞模式

在这种工作模式下,可控硅整流器的连接使得阳极端相对于阴极处于正,而栅极端保持打开状态。在这种状态下,结J1和J3是正向偏置,结J2是反向偏置。

因此,一个小的泄漏电流流过可控硅。直到电压应用在可控硅是超过它的击穿电压,可控硅提供了一个非常高的电阻的电流流动。因此,可控硅在此模式下作为开路开关,通过阻断通过可控硅的正向电流,如可控硅的VI特性曲线所示。

回到顶部

向前传导模式

在此模式下,可控硅或可控硅从阻塞模式进入导通模式。它可以通过两种方式来完成,要么通过在栅极端施加正脉冲,要么通过增加可控硅的击穿电压以外的正向电压(或通过阳极和阴极的电压)。

一旦应用了这些方法中的任何一种,在结J2处发生雪崩击穿。因此可控硅变成传导模式,作为一个闭合的开关,从而电流开始流过它。

请注意,在VI特征图中,如果栅极电流值高,最小值将是进入导通模式的时间,如Ig3 > Ig2 > Ig1。在这种模式下,最大电流流过可控硅和它的值取决于负载电阻或阻抗。

它也注意到,如果栅极电流是增加的,打开可控硅所需的电压是较小的,如果栅极偏置是首选。可控硅从阻塞模式变成传导模式的电流称为闭锁电流(IL)。

而且,当正向电流达到水平的可控硅返回到阻塞状态称为保持电流(IH)。在这个保持电流水平,耗尽区开始在结J2附近发展。因此,保持电流略小于闭锁电流。

第四理论

回到顶部

反向阻断方式

在这种工作方式下,使阴极相对于阳极为正。那么J1和J3是反向偏置,J2是正向偏置。这个反向电压驱动可控硅进入反向阻塞区结果流一个小的泄漏电流通过它,并作为开路开关如图所示。

因此,该器件在此模式下提供高阻抗,直到施加的电压小于可控硅的反向击穿电压VBR。如果反向施加电压超过VBR,那么在J1和J3接点发生雪崩击穿,导致增加通过可控硅的反向电流。

这种反向电流导致更多的损失在可控硅,甚至增加它的热量。因此,当反向电压施加超过VBR时,会对可控硅产生相当大的损害。

回到顶部

双晶体管模拟可控硅

双晶体管模拟或双晶体管可控硅模型表达了理解可控硅工作的最简单的方式,将其可视化为两个晶体管的组合,如图所示。每个晶体管的集电极与另一个晶体管的基极相连。

假设负载电阻连接在阳极和阴极端子之间,并在栅极和阴极端子施加小电压。当没有栅极电压时,晶体管2由于零基极电流处于截止模式。因此,没有电流流过集电极,因此也就没有电流流过晶体管T1的基极。因此,两个晶体管都是开路的,因此没有电流流过负载。

当栅极和阴极之间施加特定电压时,一个小的基极电流流过晶体管2的基极,因此集电极电流将增加。因此,晶体管T1的基极电流驱动晶体管进入饱和模式,因此负载电流将从阳极流到阴极。

两个晶体管的类比

由上图可知,晶体管T2的基极电流变成晶体管T1的集电极电流,反之亦然。

因此

Ib2 = Ic1和Ic2 = Ib1

也通过阴极端电流,Ik = Ig + Ia ......(1)

晶体管,

Ib1 = Ie1 - Ic1 ......(2)

and Ic1 = α1Ie1 + Ico1......(3)

其中Ico1为漏电流。

把方程3代入方程2,我们得到

Ib1 = Ie1 (1 - α1) - Ico1 .......(4)

从图上看,阳极电流是晶体管T1的发射极电流,

Ia = Ie1

那么Ib1 = Ia (1 - α1) - Ico1

对于晶体管T2也是如此

Ic2 = α2Ie2 + Ico2

但是Ik = Ie2

因此Ic2 = α2Ik + Ico2

Ic2 = α2 (Ig + Ia) + Ico2 .....(5)

但是Ib1 = Ic2 .....(6)

把方程4和5代入方程6,我们得到

α (1 - α1) - Ico1 = α2 (Ig + Ia) + Ico2

a = [α2 Ig + Ico1 + Ico2] / [1- (α1 + α2)]

假设两个晶体管中的漏电流都可以忽略,我们就得到

a = [α2 Ig] / [1- (α1 + α2)]

其中α1和α2分别为两个晶体管的增益。

回到顶部

可控硅打开方法

由上式可知,如果(α1 + α2) = 1,则Ia为无穷。这意味着阳极电流突然上升到一个高值,并从非导电状态锁存到导电模式。这就是可控硅的再生作用。因此,在可控硅的触发过程中,栅极电流值(α1 + α2)必须趋于统一。由所得到的方程可知,使可控硅通电的条件为

1.当设备温度很高时,通过可控硅的漏电流会增加。这使可控硅变成传导。

2.当通过器件的电流非常小时,α1和α2也非常小。在结J2附近有较大的电子倍增因子Mn和空穴倍增因子Mp,是产生击穿电压的条件。因此,通过增加设备上的电压来击穿过电压VBO导致结J2击穿,从而可控硅被打开。

3.并通过增加α1和α2的突破条件来实现。晶体管的电流增益取决于Ig的值,因此通过增加Ig,可控硅可以打开。

回到顶部

可控硅关闭方法

SCR不能通过栅极终端关闭,如打开ON过程。关闭可控硅,阳极电流必须降低到一个水平以下的保持电流水平的可控硅。关闭可控硅的过程称为整流。整流可控硅的两种主要类型是,

  1. 自然变换和
  2. 强制换向

强制换向又分为几种类型,例如

  • A类减刑
  • B类减刑
  • C类减刑
  • 类D变换
  • 类E变换

回到顶部

使用可控硅控制直流电机

考虑下图,其中可控硅用于控制直流电机的速度。正如我们所知,直流电动机由磁场绕组和电枢绕组组成。通过控制施加在电枢上的电压,控制直流电机的速度。

交流市电连接到变压器初级绕组和次级绕组,如图所示,两个可控硅并联连接。这些可控硅的输出驱动直流电机。励磁绕组通过二极管连接,给励磁绕组提供不可控的直流电源。

直流电机控制采用可控硅

在输入的正半周期间,SCR1正向偏置,当触发脉冲给栅极时,SCR1开始导电。所以负载电流通过SCR1流向直流电机。在输入的负半周期,SCR 2是正向偏置,SCR1是反向偏置,因此sc1是关闭的。

当栅极触发给SCR2,它开始导电。通过改变触发器输入到各自的可控硅平均输出到直流电机是变化的,因此它的速度是控制。

回到顶部

使用可控硅控制交流电机

交流感应电动机的速度是通过改变施加在它上面的定子电压来控制的。下图显示的连接可控硅改变电压应用到感应电机定子。

每个相位由两个反并行可控硅,一个为正峰和另一个为负峰。因此,总共6种可控硅配置用于产生可变功率。

交流电机控制采用可控硅

输入三相交流电源通过这些晶闸管给三相感应电动机。当这些可控硅被延迟脉冲触发时,施加到感应电机上的平均电压会发生变化,因此速度也会随之变化。

回到顶部

可控硅整流器的优点

  1. 与机电或机械开关相比,可控硅没有活动部件。因此,具有高效率,它可以提供无声的运行。
  2. 切换速度非常快,每秒可以执行1纳的操作。
  3. 这些可以在高电压和额定电流的小栅极电流下运行。
  4. 更适合交流操作,因为在交流周期的每一个零位SCR将自动关闭。
  5. 体积小,安装方便,维修方便。

回到顶部

总结

  1. 可控硅整流器的行为就像一个开关,有两个状态,要么是不导电,要么是导电。
  2. SCR有三种工作模式。它们分别是正向阻断,正向传导模式和反向阻断模式。
  3. 主要有两种方法打开可控硅,这意味着要么通过增加跨越可控硅的电压超过可控硅的击穿电压或通过施加一个小的电压到栅极。栅极的典型值是1.5 V, 30 mA。如果栅极电流增加,可控硅将打开在大大降低的电源电压。
  4. 可控硅不能通过栅极关闭,因此打开可控硅,施加的电压必须降低到零。
  5. 可控硅整流器可用于交流和直流开关应用。

回到顶部

一个回应

留下一个回复

您的电子邮件地址将不会被公布。必填字段被标记*