詳解晶閘管工作原理，全面掌握開關(guān)控制技術(shù)

晶閘管是具有雙穩(wěn)態(tài)行為的三端電子元件?？刂贫朔Q為“門極”(G)。另外兩個端子，陽極(A)和陰極(K)，與負(fù)載串聯(lián)導(dǎo)通電流，并且能夠承受高電壓。這些元件被用作電子開關(guān)。

簡介

晶閘管用于直流和交流電路中的開關(guān)和功率控制電路。與晶體管不同，大多數(shù)晶閘管的門極信號可以移除，它們?nèi)詴３謱?dǎo)通狀態(tài)。晶閘管設(shè)計用于處理高電流和高電壓，甚至超過1 kV或100 A。

它們是具有四個交替P型和N型材料層的半導(dǎo)體器件，形成P-N-P-N結(jié)構(gòu)。其實際應(yīng)用旨在功率調(diào)節(jié)，如燈具調(diào)光器或電機(jī)速度控制。它們還可用于將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并控制輸出電壓。它們還可以用作安全開關(guān)，保護(hù)電路免受過流影響。

直流電路中的SCR二極管

如圖1所示，SCR二極管由三個結(jié)組成：

· 一個PN結(jié)(g1)

· 一個NP結(jié)(g2)

· 另一個PN結(jié)(g3)

其符號類似于傳統(tǒng)二極管，具有陽極和陰極，但多了一個電極——門極。如果在陽極相對于陰極施加正電壓，SCR二極管與普通二極管不同，不允許任何電流通過。當(dāng)在“門極”端施加相對于陰極的正電壓時，電流開始流經(jīng)該元件。因此，即使門極上沒有電壓，二極管也始終導(dǎo)通。這種導(dǎo)通狀態(tài)會持續(xù)到電路電源中斷為止。

現(xiàn)在需要觀察SCR二極管的兩個重要特性：

· 當(dāng)它進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)時，門極端子不再對元件的運行有任何控制權(quán)。

· 流過的電流不能被調(diào)制到中間值。

基于這些前提，可以創(chuàng)建一個簡單的SCR二極管電路圖，當(dāng)在其門極施加電壓時，它會為串聯(lián)的負(fù)載供電。圖2展示了一個典型的控制電路解決方案，該電路使用SCR來控制負(fù)載的電流供應(yīng)。最初，晶閘管處于阻斷狀態(tài)，即不導(dǎo)通電流，即使存在24 V的電源電壓，陽極和陰極之間也沒有電流通過。

晶閘管的門極沒有接收到任何激活信號，因此器件保持關(guān)閉狀態(tài)。門極信號由產(chǎn)生三角信號的源生成。一旦其電壓達(dá)到約1.7 V，晶閘管就會被“永久”激活，并開始在陽極和陰極之間導(dǎo)通電流。通常，觸發(fā)晶閘管需要0.8 V到1.8 V之間的脈沖。SCR可以通過再生過程達(dá)到觸發(fā)狀態(tài)，該過程可以與兩個雙極晶體管的等效模型相關(guān)聯(lián)。在直流電路中，晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使其能夠通過保持電流保持觸發(fā)狀態(tài)，只有在電源中斷時才會解除觸發(fā)。

請注意，在此示例中，電路以直流模式運行。一旦激活，即使移除門極信號，晶閘管仍保持導(dǎo)通狀態(tài)。這種解決方案的一個有用應(yīng)用是通過按鈕激活燈。在導(dǎo)通期間，陽極和陰極之間的電壓顯著降低，通常降至幾伏。在導(dǎo)通狀態(tài)下，器件可以傳導(dǎo)高電流。只有當(dāng)陽極和陰極之間的電壓降至零或反向時，晶閘管才會停止導(dǎo)通，如在交流(AC)電路中。

當(dāng)電流降至保持值以下時，也會達(dá)到關(guān)閉狀態(tài)。第一個波形圖顯示了隨時間施加在門極上的電壓，其值在0 V到3 V之間，呈三角信號。該信號用于激活晶閘管。第二個波形圖顯示了流經(jīng)晶閘管陽極的電流。一旦激活，它始終保持導(dǎo)通狀態(tài)。即使在移除門極信號后，晶閘管仍保持導(dǎo)通。最后，第三個波形圖顯示了晶閘管在時域中耗散的功率。

控制負(fù)載的開關(guān)按鈕

本節(jié)討論的電路(如圖3所示)在繼電器系統(tǒng)、自動門控制或工業(yè)電機(jī)的手動控制系統(tǒng)中非常常見。以下解決方案展示了一個帶有兩個按鈕和一個電機(jī)的控制電路。它由兩個按鈕P1和P2組成。

第一個按鈕通常是關(guān)閉的，而第二個按鈕通常是打開的。電池為電路提供電壓，在這種情況下，電路和電機(jī)都在直流電下工作。P2是啟動按鈕：如果按下，它會向SCR的門極發(fā)送一個脈沖，使其導(dǎo)通。一旦激活，SCR保持導(dǎo)通狀態(tài)，為電機(jī)供電。另一方面，P1是停止按鈕，中斷流向SCR的主電流，關(guān)閉電機(jī)。

當(dāng)電流停止時，SCR關(guān)閉，電路返回等待狀態(tài)。電機(jī)僅在SCR處于導(dǎo)通狀態(tài)時供電。在此電路中，SCR充當(dāng)受控開關(guān);單個門極脈沖可將其打開，但要將其關(guān)閉，必須中斷流向負(fù)載的電流。在同一圖中，可以觀察到三個波形圖：

· 第一個波形圖位于頂部，顯示了通過按鈕P2(啟動按鈕)施加在SCR門極上的電壓。請注意，存在一個持續(xù)約半秒的短正脈沖。該脈沖通過門極激活SCR，啟動晶閘管的導(dǎo)通并啟動電機(jī)。

· 第二個波形圖位于中間，顯示了按鈕P1(停止按鈕)的活動。持續(xù)約200毫秒，它中斷了主電流的流動，關(guān)閉SCR并停止電機(jī)。此開關(guān)可以用繼電器或其他固態(tài)功率電子元件替換。

· 最后一個波形圖位于底部，是最重要的一個，顯示了通過SCR陽極的電流，即為電機(jī)供電的電流。最初，電流為零約3秒，然后通過按下P2按鈕上升到穩(wěn)定值，表明SCR完全導(dǎo)通，因此電機(jī)正在運行。幾秒鐘后，電流再次降至零，表明P1按鈕已停止導(dǎo)通，關(guān)閉SCR并停止電機(jī)。

交流電路中的SCR二極管

盡管SCR本質(zhì)上是直流器件，但大多數(shù)SCR應(yīng)用用于交流功率控制。SCR用于交流功率控制應(yīng)用的主要原因是晶閘管對交流電的獨特響應(yīng)。它在交流半周期內(nèi)保持導(dǎo)通狀態(tài)，直到電流降至零，開始下一個半周期。此時，晶閘管關(guān)閉，必須在下一個周期內(nèi)再次開啟。結(jié)果是類似于“削波”正弦波的電流。圖4展示了一個非?；镜碾娐方鉀Q方案，該電路將晶閘管置于觸發(fā)極限，通過電位器精細(xì)調(diào)節(jié)。

結(jié)論

總之，晶閘管是電力電子中的基本元件，用于控制高電流流動，應(yīng)用包括電壓調(diào)節(jié)器、電機(jī)控制和電力系統(tǒng)。然而，影響其性能的關(guān)鍵因素之一是溫度：溫度升高會降低可安全管理的電流值，并加速器件的退化，縮短其平均壽命。因此，必須采用適當(dāng)?shù)臒嵯⒔鉀Q方案，以確?？煽窟\行并延長晶閘管的使用壽命。