晶閘管或可控硅整流器SCR電路設(shè)計

晶閘管或可控硅整流器SCR是一種特別有用的元件，它在功率控制等領(lǐng)域有許多用途，這些元件可用于切換高電壓和電流。

晶閘管已經(jīng)接管了曾經(jīng)由繼電器處理的大多數(shù)電源開關(guān)應(yīng)用，盡管仍在使用非常高的電壓接觸器。

晶閘管或可控硅整流器，可控硅設(shè)計可以直接進行。這些器件雖然有點不尋常，但遵循與其他組件相同的基本電路設(shè)計規(guī)則。

主要問題是確保所有組件都具有足夠的額定值，因為晶閘管電路通常用于高功率應(yīng)用。

晶閘管、可控硅電路基礎(chǔ)知識

晶閘管或可控硅整流器的工作方式與標(biāo)準(zhǔn)雙極晶體管或 FET 的工作方式不同。

晶閘管有兩個電極，分別連接到要控制的主電路。這兩個電極稱為陽極和陰極。

第三個電極稱為柵極，用于控制電路內(nèi)的晶閘管。

晶閘管或可控硅電路符號

要了解 SCR 在電路中的工作原理，最好查看其等效電路。由此可以看出，可控硅可以認為由兩個互連的晶體管組成。

在初始條件下，陽極和陰極之間沒有導(dǎo)電。但是，如果電流施加到柵極上，使TR2導(dǎo)通，則SCR將導(dǎo)通，但僅在一個方向上導(dǎo)通。即使柵極電流被移除，這種傳導(dǎo)也將保持不變。這樣，柵極電流可以被視為觸發(fā)脈沖。

為了停止導(dǎo)通，需要將陽極和陰極之間的電壓降低到壓差水平以下。當(dāng)一個或兩個晶體管達到其截止模式時，就會發(fā)生這種情況。此時，整個器件的導(dǎo)通將停止，需要重新觸發(fā)柵極。

晶閘管的等效電路

可以收集到，晶閘管，SCR只在一個方向上導(dǎo)電。當(dāng)與交流信號一起使用時，它需要在每個傳導(dǎo)半周期內(nèi)重新觸發(fā)。

一旦晶閘管 SCR 處于完全導(dǎo)通狀態(tài)，對于所有陽極電流值，器件兩端的壓降通常約為 1 V，直至其額定值。

然后，當(dāng)陽極電流保持在器件的保持電流之上時，SCR 繼續(xù)導(dǎo)通，該電流通常表示為 IH。低于此值，SCR停止導(dǎo)通。因此，在直流和一些高電感交流電路中，必須有一種關(guān)閉設(shè)備的方法，因為 SCR 將繼續(xù)導(dǎo)通。

晶閘管柵極電路設(shè)計

為了防止柵極過載和誤觸發(fā)，一些電阻器通常放置在柵極電路中。

晶閘管電路顯示額外的柵極電阻

在設(shè)計SCR電路時，通常包括兩個柵極電阻。

在圖中，R1用于將柵極電流限制在可接受的水平。選擇該電阻器是為了提供足夠的電流來觸發(fā) SCR，同時又不會提供太多的電流以致柵極結(jié)處于應(yīng)力之下。

第二個電阻R2是柵極陰極電阻，有時表示為RGK，以防止雜散觸發(fā)。它有效地降低了柵極的靈敏度。

有時，該電阻器可能包含在 SCR 封裝本身中，可能不需要外部電阻器。有必要檢查制造商的數(shù)據(jù)表以確定需要什么。

在設(shè)計晶閘管、可控硅電路時，需要特別注意使用這些電子元件的任何電子電路設(shè)計中的觸發(fā)電路。

晶閘管或可控硅整流器電路的整個區(qū)域的工作很大程度上取決于其觸發(fā)方式。

在進行電路設(shè)計時，需要特別注意確保沒有誤觸發(fā)，同時確保晶閘管在需要時觸發(fā)。

在晶閘管或可控硅的觸發(fā)過程中，包括柵極觸發(fā)時的柵極驅(qū)動要求、觸發(fā)時間（其中需要保持觸發(fā)激勵的時間以鎖存電路）等各個方面都很重要。

當(dāng)然，各種參數(shù)的重要性取決于所使用的SCR觸發(fā)形式。由于有多種觸發(fā)機制可用，因此有必要了解所有這些機制，以確保發(fā)生正確的觸發(fā)。

SCR觸發(fā)/點火總結(jié)

在使用這些元件進行電子電路設(shè)計時，了解晶閘管觸發(fā)的不同方式將有很大幫助。

了解晶閘管觸發(fā)的不同方式可以確保器件僅在需要時觸發(fā)，而不是在另一個激勵器件啟動器件內(nèi)的觸發(fā)機制時觸發(fā)。

晶閘管或 SCR 有幾種觸發(fā)或觸發(fā)方式，但并非所有方法乍一看都很明顯。

? 門觸發(fā)：

這種形式的 SCR 觸發(fā)是電子電路設(shè)計中最常見的一種。它簡單、可靠、高效，并且易于實現(xiàn)，適用于大多數(shù)應(yīng)用——可以應(yīng)用簡單的觸發(fā)信號，并在需要時進行適當(dāng)?shù)奶幚怼?/p>

這意味著可以使用其他電子電路來獲得合適的觸發(fā)信號，然后將其應(yīng)用于電路設(shè)計中的SCR柵極。

為了使用柵極 SCR 觸發(fā)，SCR 必須在低于其擊穿電壓的情況下運行，并且還允許適當(dāng)?shù)陌踩６纫赃m應(yīng)可能發(fā)生的任何瞬態(tài)。否則可能會發(fā)生正向電壓或擊穿觸發(fā)。

要導(dǎo)通 SCR，柵極和陰極之間的柵極電壓為正。這會產(chǎn)生柵極電流，其中電荷被注入器件的內(nèi) p 層。這有效地降低了發(fā)生正向擊穿的電壓?？梢钥闯?，柵極電流決定了器件切換到其導(dǎo)通狀態(tài)時的正向電壓。柵極電流越高，正向擊穿電壓越低。

有許多簡單的方法可以應(yīng)用觸發(fā)信號。可能最簡單的安排之一如下圖所示。

晶閘管電路顯示額外的柵極電阻

這里可以看出有兩個電阻器。第一個是R1，用于將柵極電流限制在可接受的水平。選擇該電阻器是為了提供足夠的電流來觸發(fā) SCR，同時將其保持在器件的安全范圍內(nèi)。它可以很容易地使用器件額定值和歐姆定律來計算。

第二個電阻R2是柵極陰極電阻。這有時表示為 RGK，包括它以防止虛假觸發(fā)。電阻的作用可以看作是相對于SCR的兩個晶體管類比。它表明柵極和陰極之間的低外部電阻繞過了柵極結(jié)周圍的一些電流。

因此，需要更高的陽極電流來啟動和維持導(dǎo)通。特別發(fā)現(xiàn)，低電流、高靈敏度的可控硅在非常低的電流水平下被觸發(fā)，因此需要外部柵極-陰極電阻來防止柵極區(qū)域熱產(chǎn)生的泄漏電流觸發(fā)。

然而，柵極陰極電阻繞過了由陽極電壓（dv/dt）的快速變化率引起的一些內(nèi)部陽極電流。它還通過降低NPN晶體管區(qū)域的效率來提高正向擊穿電壓，因此需要稍高的雪崩倍增效應(yīng)來啟動觸發(fā)。

旁路柵極結(jié)點的電流也會影響閉鎖和保持電流。

由此可見，使用柵極陰極旁路電阻的效果包括：

增加 dv/dt 能力。

保持柵極阻尼，以確保最大重復(fù)峰值關(guān)斷狀態(tài)電壓VDRM能力。

提高閂鎖和保持電流水平

降低關(guān)斷時間tq。

雖然上面所示的簡單電路足以滿足許多需要更可控觸發(fā)機制的應(yīng)用，但在觸發(fā)之前、觸發(fā)期間和之后需要考慮柵極特性。這是必需的，因為柵極特性會隨著器件內(nèi)部的電流變化而變化。

? 陽極正向電壓可控硅觸發(fā)：

當(dāng)陽極和陰極之間的電壓導(dǎo)致發(fā)生雪崩傳導(dǎo)時，就會發(fā)生這種形式的 SCR 觸發(fā)或觸發(fā)。這種情況發(fā)生的方式可以與SCR結(jié)構(gòu)一起看出。

晶閘管結(jié)構(gòu)式

當(dāng)陽極到陰極的正向電壓增加時，二極管結(jié)J2在反向偏置時承受更大的應(yīng)力。最終，電壓梯度將超過擊穿點，并且將發(fā)生雪崩擊穿，從而觸發(fā)SCR。發(fā)生這種情況的電壓稱為正向擊穿電壓VB0。

當(dāng)結(jié) J2 擊穿時，電流將流動并觸發(fā) SCR 至其導(dǎo)通狀態(tài)。結(jié) J1、J3 已經(jīng)正向偏置，因此結(jié) J2 的擊穿允許載流子流過所有三個結(jié)，從而使負載電流流動。與其他形式的SCR觸發(fā)一樣，器件保持其導(dǎo)電狀態(tài)。

不建議使用這種打開設(shè)備的方法，因為超過 VB0 的值可能會損壞設(shè)備。任何電路都應(yīng)設(shè)計為避免這種觸發(fā)方法，并注意任何可能的電壓尖峰的最大值。

? DV/DT 觸發(fā)：

如果陽極上升到陰極電壓的速率超過特定器件的特定限制，也可以在沒有任何柵極電流的情況下觸發(fā) SCR。

了解 dV/dt 觸發(fā)非常重要，因為晶閘管兩端的瞬態(tài)電壓會導(dǎo)致其觸發(fā)，有時是意外觸發(fā)。它通常是不必要的和間歇性觸發(fā)的原因。

? 溫度觸發(fā)：

在某些情況下可能會發(fā)生這種形式的 SCR 觸發(fā)。它可能會引起意想不到的反應(yīng)，因此在任何設(shè)計過程中都應(yīng)注意其影響。

當(dāng)結(jié) J2 兩端的電壓和任何泄漏電流都可能使結(jié)的溫度升高時，會發(fā)生 SCR 或晶閘管的溫度觸發(fā)。溫度的升高會進一步升高溫度，從而增加泄漏電流。這種累積過程可能足以觸發(fā) SCR，盡管它往往只在器件溫度較高時發(fā)生。

? 光觸發(fā)：

這種形式的 SCR 觸發(fā)或觸發(fā)通常用于高壓系統(tǒng)。這里不需要從發(fā)射機構(gòu)進行電氣連接，可以使用隔離光源。

在使用輕型 SCR 觸發(fā)時，可以使用特制的 SCR。稍后在內(nèi)部 P 型內(nèi)發(fā)生光觸發(fā)。當(dāng)該區(qū)域被光照射時，會產(chǎn)生自由電荷載流子，就像施加?xùn)艠O信號一樣，可控硅被觸發(fā)。

為了實現(xiàn)最大的光吸收，使用了專門的SCR結(jié)構(gòu)，通常在內(nèi)部P型后期有一個凹槽，以便最大限度地接觸光線。

為了能夠觸發(fā)光，通常使用光纖將光引導(dǎo)到晶閘管/可控硅中的正確點。一旦光線超過一定強度，就會發(fā)生切換。這種類型的 SCR 通常被稱為光激活 SCR 或 LASCR。這些LASCR已用于高壓配電開關(guān)中心。光開關(guān)可實現(xiàn)非常高的隔離度，同時仍能夠使用低電平電路進行開關(guān)。

直流晶閘管/可控硅電路

在許多應(yīng)用中，需要SCR電路來控制直流負載的運行。這可用于直流電機、燈或任何其他需要開關(guān)的負載。

下面給出的基本 SCR 電路能夠使用一個小開關(guān)來控制負載的電源，以啟動對負載的電源施加。

基本直流晶閘管/可控硅電路

最初，當(dāng) S1 閉合且 S2 斷開時，不會有電流流動。只有當(dāng) S2 閉合并通過使柵極電流流動來觸發(fā)柵極時，SCR 電路才會導(dǎo)通，電流才會在負載中流動。

電流將繼續(xù)流動，直到陽極電路中斷。這可以使用 S1 來完成。另一種方法是將開關(guān) S1 置于 SCR 兩端，通過短暫閉合它，SCR 兩端的電壓將消失，SCR 將停止導(dǎo)通。

由于它們在該 SCR 電路中的功能，S1 可稱為 Off 開關(guān)，S2 稱為 ON 開關(guān)。在這種配置中，S1 需要能夠承載滿載電流，而 S2 只需要能夠承載柵極電流。

一旦 SCR 接通，開關(guān)可以松開并保持打開狀態(tài)，因為 SCR 的作用維持流過器件的電流，從而維持負載。

電阻R1通過開關(guān)將柵極連接到電源。當(dāng)開關(guān) S2 閉合時，電流流過電阻器，進入柵極并接通 SCR。必須計算電阻R1，以提供足夠的柵極電流來打開SCR電路。

包括 R2 以降低 SCR 的靈敏度，使其不會因任何可能拾取的噪聲而觸發(fā)。

基本交流晶閘管/可控硅電路

當(dāng)交流電與晶閘管電路一起使用時，需要進行一些更改，如下所示。

造成這種情況的原因是交流電源在循環(huán)過程中反轉(zhuǎn)極性。這意味著 SCR 將變?yōu)榉聪蚱茫瑥亩行У貙㈥枠O電壓降低到零，使其在每個周期的一半時間內(nèi)關(guān)閉。因此，無需關(guān)閉開關(guān)，因為這是使用交流電源的一部分。

基本交流晶閘管/可控硅電路

該電路的工作原理與直流可控硅電路的工作原理略有不同。當(dāng)開關(guān)打開時，電路需要等到有足夠的陽極電壓可用，因為交流波形沿其路線移動。此外，SCR電路需要等到電路柵極部分內(nèi)的電壓能夠提供足夠的電流來觸發(fā)SCR。為此，開關(guān)必須處于閉合位置。

一旦觸發(fā)，SCR將在周期的正半部分保持其導(dǎo)通狀態(tài)。隨著電壓的下降，陽極陰極電壓不足以支持傳導(dǎo)。此時，SCR將停止導(dǎo)電。

然后在周期的負半部分，SCR 將不導(dǎo)通。只有當(dāng)周期的下一個正半部分返回時，該過程才會重復(fù)。

因此，該電路僅在柵極開關(guān)處于閉合位置時才會導(dǎo)通。

使用這種性質(zhì)的 SCR 電路的問題之一是它不能為負載提供超過 50% 的功率，因為它在交流周期的負半部分不導(dǎo)通，因為 SCR 是反向偏置的。

帶柵極相位控制的交流可控硅電路

可以通過改變可控硅導(dǎo)電的半周期比例來控制到達負載的功率。這可以通過使用集成輸入柵極信號相位控制的 SCR 電路來實現(xiàn)。

交流晶閘管電路波形

使用帶相位控制的可控硅電路，可以看出可控硅柵極信號來自二極管D1之前由R1、VR1和C1組成的RC電路。

與基本的交流可控硅電路一樣，只有波形的正半周期是值得關(guān)注的，因為可控硅是正向偏置的。在這個半周期內(nèi)，電容器 C1 通過由 R1 和 VR1 組成的電阻網(wǎng)絡(luò)從交流電源電壓充電。

C1正端的波形滯后于輸入波形的波形，只有當(dāng)電容器高端的電壓上升到足以通過D1觸發(fā)SCR時，柵極才會被觸發(fā)

.因此，SCR的開啟點比RC網(wǎng)絡(luò)不存在時通常發(fā)生的開啟點有所延遲。

設(shè)置 VR1 的值會改變延遲，從而改變 SCR 傳導(dǎo)的周期比例。通過這種方式，可以調(diào)節(jié)進入負載的功率。

帶柵極相位控制的交流晶閘管電路

串聯(lián)電阻R1用于將電阻網(wǎng)絡(luò)的最小值限制在可為SCR提供可接受柵極電流水平的值。

通常，為了完全控制 SCR 可用于導(dǎo)通的 50% 周期，柵極波形的相位角必須在 0° 和 180° 之間變化。

晶閘管撬棍過壓保護電路

晶閘管的另一個有用電路是提供過壓保護的電路。

過壓保護可能是許多電源設(shè)計的一個主要方面。特別是在線性電源中，串聯(lián)穩(wěn)壓器元件發(fā)生故障的可能性可能導(dǎo)致對供電電路施加大電壓，并有可能造成災(zāi)難性損壞。

盡管這種可能性可能相對較小，但這種性質(zhì)的故障的影響可能非常大。

為了防止此類故障，可以使用晶閘管或SCR撬棍電路。雖然在某種程度上相當(dāng)粗糙，但它非常有效。

審核編輯：黃飛