干货分享！可控硅的工作原理

可控硅，作为电子领域中的一种重要器件，其工作原理及广泛应用备受关注。这种器件以其独特的性能，在电力电子、电机驱动、自动控制等领域发挥着不可或缺的作用。

可控硅，又被称为硅控整流器(Silicon Controlled Rectifier，简称SCR)，是一种大功率电器元件，与晶闸管实质相同。它凭借其小巧的体积、高效的性能以及长久的寿命，在自动控制系统中独树一帜。可控硅能够作为大功率驱动器件，赋予小功率控件对大功率设备的控制能力。正因如此，它在交直流电机调速系统、调功系统以及随动系统中得到了极为广泛的应用。

可控硅分为单向可控硅和双向可控硅两大类。其中，双向可控硅，亦被称为三端双向可控硅或TRIAC，其结构类似于两个反向连接的单向可控硅，赋予了它双向导通的功能。其通断状态由控制极G所决定，当在控制极G上施加正脉冲(或负脉冲)时，可控硅将正向(或反向)导通。这种装置的优点在于其控制电路设计简单，且不存在反向耐压问题，因此非常适合作为交流无触点开关使用。

1、可控硅概述

可控硅，即可控硅整流器，亦被称作晶体闸流管，简称晶闸管(SCR)。自1957年美国通用电器公司率先推出全球首款晶闸管产品，并在1958年实现商业化以来，至今已近七十年。

可控硅，作为功率半导体器件的一员，兼具开关元件与整流器件的双重特性，能在高电压、大电流环境下稳定工作，且其工作过程可实现精准控制。凭借体积小巧、重量轻便、耐压能力强、容量充足以及维护简便、控制灵敏等诸多优势，可控硅在可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变和变频等电子电路中大展身手。

可控硅的种类繁多，分类方式亦多样。例如，按照其关断、导通及控制方式，可控硅可分为普通单向晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、BTG晶闸管、温控晶闸管和光控晶闸管等。接下来，我们将聚焦于应用广泛的单向可控硅(SCR)和双向可控硅(Traic)两款产品进行详细了解。

1.1 单向可控硅

单向可控硅由PNPN四层材料精心构造而成，内部包含三个PN结，从而形成了三个电极：阳极A、阴极K和控制极G。其电路符号与二极管颇为相似，但功能却大相径庭。

单向可控硅，如其名所示，具有单向导通特性，其导通后的行为与二极管颇为相似。然而，二者之间的关键区别在于可控硅多了一个名为控制极的G极。通过向控制极施加微小的触发电流，我们可以实现对可控硅的精准导通控制，且在导通后，它能承载大电流。

要使单向可控硅导通，必须同时满足两个条件：首先，在阳极和阴极之间施加正向电压;其次，在控制极和阴极之间加入正向触发电压，并确保回路电流达到特定阈值。这两个条件必须同时满足，缺一不可。

至于如何关断单向可控硅，有两种主要方法：一是减小主回路电流，使其低于维持电流IH;二是切断阳极和阴极之间的电源。只要满足其中任一条件，可控硅即可关断。

1.2 双向可控硅(Traic)

双向可控硅与单向可控硅在结构上有所差异。尽管它们都具备三个电极：T1极、T2极和G极，但双向可控硅的内部构造更为复杂，由NPNPN五层半导体精心组成，并包含了四个PN结。这种结构使得双向晶闸管在功能上类似于两个单向晶闸管的反向并联，然而，它仅需一个控制极G极即可实现精准控制。

由于双向可控硅具有独特的结构，它能够在两个主极之间接受任何极性的工作电压，并实现触发控制。因此，在双向可控硅中，主极并不区分阳极和阴极，而是通常被称为T1极和T2极。与其他参数相似，双向晶闸管的关断方式也与单向晶闸管相同。

同样地，双向可控硅也展现出触发控制特性，但这种特性与单向晶闸管有所不同。无论在双向晶闸管的主极(T1极和T2极)之间接入何种极性的电压，只要在控制极G极上施加一个小电流(触发脉冲)，且该电流值超过双向晶闸管的门极触发电流，晶闸管便会导通。值得注意的是，尽管双向可控硅的两个主极在电流方向上具有灵活性，但触发极(G)的方向仍然是关键的。触发电流的方向是相对于T1极来定义的，这在一定程度上影响了双向可控硅的工作特性。

在介绍完可控硅工作的几个象限后，我们进一步探讨了其性能的改进。上世纪80年代后，科研人员对门极结构进行了革新，从而屏蔽了第四象限，这一改进显著提升了可控硅的关键性能。具体来说，3Q和4Q可控硅在以下方面存在差异：

抗干扰能力得到了增强，这主要体现在可控硅的dv/dt能力上;

抗正负半周换向电流上升率的能力也得到了提升，这得益于(di/dt)c能力的增强;

某些可控硅的结温限制从125℃提升到了150℃，这进一步拓宽了其应用范围。

接下来，我们讨论了双向可控硅的导通条件。首先，T1极和T2极之间必须施加正或反向电压。其次，G极和T1极之间也需要同时施加正或反向触发电压，并且回路电流必须达到一定的阈值。这两个条件必须同时满足，才能确保双向可控硅的导通。

而对于双向可控硅的关断方法，则相对简单。只要减小主回路电流至维持电流IH以下，或者切断T1极和T2极间的电源，即可实现其关断。

通过上述分析，我们可以更清晰地理解双向可控硅的工作原理和性能特点。

1.3可控硅的关键参数

以KY-韩景元BTA16型号为例，我们来探讨可控硅的一些关键参数。这些参数对于理解可控硅的性能和应用至关重要。

在查阅可控硅的规格书时，需特别留意红框标记的参数，这些参数均以“小于或等于”的形式呈现，但实际上在选择时，我们应确保所选数值大于这些限制。同时，还需关注IGT参数，它决定了触发电流的大小，需通过Value一列进行确认。此外，SW\CW\BW带W的型号表示为三象限可控硅，已屏蔽了第四象限。

接下来，我们将深入探讨可控硅的工作原理。

可控硅，全称可控硅整流器，是一种由三个PN结四层结构硅芯片及三个电极构成的半导体器件。其结构、外形及图形符号如图所示。

可控硅拥有三个电极，即阳极(A)、阴极(K)以及控制极(G)。在特定条件下，这些电极的特性决定了可控硅的工作状态。当阳极接负电位时，PN结呈现反向特性，类似于二极管。若阳极上施加正电位且控制极未接电压，器件将保持在阻抗极高的关闭状态。然而，一旦正电压超过某个阈值(即转折电压)，器件会迅速转入低阻通导模式。当阳极和阴极间的电压低于转折电压时，可控硅保持关闭。但若在控制极上施加适当正电压(相对阴极)，可控硅可被激发而开启。值得注意的是，一旦可控硅导通，其控制极便失去作用。即使撤去栅极电压，可控硅仍保持导通状态，直至电流降至某一阈值以下，或阴极与阳极间的电压降至零或负值，器件才恢复关闭。图3-30展示了可控硅的伏安特性曲线。

在没有控制极信号时，可控硅的正向导通电压等于正向转折电压(UB0)。然而，当存在控制极信号时，正向转折电压会降低，使得在较低的正向电压下就能实现导通。这种转折电压的降低与控制极电流的增大成反比。一旦控制极电流达到一定水平，正向阻断状态将不再出现。

一旦可控硅导通，其内阻显著减小，导致管子本身的压降非常低。此时，外加电压几乎全部降落在外电路负载上，从而流过较大的负载电流。这种特性与二极管的正向导通特性相似。当阳极电压减小或负载电阻增加，导致阳极电流低于维持电流IH时，可控硅会立即从导通状态转为正向阻断状态，并返回到曲线I的状态。

当阳极施加反向电压时，尽管电压可能很高，但可控硅通常不会导通(仅存在微小的漏电流)。只有当反向电压达到击穿电压时，电流才会突然增加，这可能导致器件的损坏。因此，在正常工作时，必须确保外加电压小于反向击穿电压，以确保器件的安全可靠运行。

可控硅的独特之处在于，仅需在控制极中通过几毫安至几十毫安的电流即可触发其导通，并能够通过较大的电流。这种特性使得可控硅在整流、开关、变频、交直流转换、电机调速、调温、调光以及其他自动控制电路中发挥着关键作用。

接下来，我们将讨论可控硅的一些关键技术参数，如正向阻断峰值电压、反向阻断峰值电压、额定正向平均电流、正向平均压降以及维持电流等。这些参数对于理解可控硅的性能和选择合适的器件至关重要。

6.控制极触发电流(Ig)

当在阳极与阴极之间施加直流6V电压时，为使可控硅完全导通所必需的最小控制极直流电流。

7.控制极触发电压(Ug)

这是指可控硅从阻断状态转变为导通状态时，控制极上所需施加的最小直流电压。

此外，可控硅在整流、开关、变频、交直流转换等多个领域都有着广泛的应用，其独特的导通与阻断特性使得它在电路控制中发挥着不可或缺的作用。

根据结构和用途的不同，可控硅有多种类型。除了广泛应用于整流的普通可控硅，还有快速可控硅，这种类型适用于高频率和大功率直流开关等电路。此外，还有双向可控硅，其特点是可以控制两个方向电流的导通，常用于交流控制电路。另外，逆导可控硅则主要用于直流供电车辆的调速。而可关断可控硅是一种新型可控硅，它可以在正控制极脉冲下触发导通，并通过负控制极脉冲关断阳极电流，恢复阻断状态，适用于无触点开关、直流调压等电路。

接下来，我们将通过两个例子来详细了解可控硅电路的工作过程。其中，D1～D2组成全波桥式整流电路，BG双基极管构成同步触发电路。整流电压经过电阻R1降压后，加在A、B两点。在整流后脉动电压的正半周，通过R4、W向电容C充电。当充电电压达到双基极管峰点电压UP时，BG由截止转为导通，电容C迅速放电，产生的放电电流在R上形成一个尖脉冲，作为触发可控硅的触发信号。一旦可控硅导通，其正向压降变得很低，从而停止张弛振荡器的工作。当电源电压过零时，可控硅自动关断，等待下一个正半周的到来并重复上述过程。这样，串联于整流电路的负载RL上就得到了一个受控的脉冲电压。通过调节电容C的充电速度，即调节W的值，可以改变可控硅的导通时间，进而调节负载上的电压大小。

展示了一种利用可控硅制作的感应(接近)开关。该开关通过人体电容和电阻与电路中的电容C1并联，进而促使氖管N导通并点燃。这一过程在电阻R1上产生了可控硅的触发信号，导致可控硅导通，从而点亮了串接在可控硅电路中的灯泡。此外，还可以在电路中串接继电器，以控制其他电器装置的开启或关闭。

四、使用万用表检测可控硅的优劣

判定可控硅的电极

小功率可控硅的电极可以通过外观进行初步判断，通常阳极为外壳，阴极线比控制极引线更长，如图3-29所示。若遇到其他封装形式或电极引线不明确，可以利用万用表的电阻档进行详细判别。从可控硅的结构图可知，阴极与控制极间存在一个PN结，而阳极与控制极间则有两个反向串联的PN结。通过万用表R×100档，我们可以先找出控制极。具体操作是，将负表笔接触某一电极，正表笔依次触碰另外两个电极，若发现有一次阻值较小(约几百欧姆)，另一次阻值较大(约几千欧姆)，则说明负表笔所接的是控制极(G)。在阻值小的那次测量中，正表笔所接的是阴极(C或K)，阻值大的那次则是阳极(A)。若两次测量的阻值均很大，则需更换另一个电极进行重新判别。

检测可控硅的性能

一个性能良好的可控硅应具备以下特点：①三个PN结均完好无损;②在反向电压下能够完全阻断，不发生导通;③在控制极开路的情况下，可控硅在正向电压下能够保持阻断;④当控制极施加正向电流，且阳极施加正向电压时，可控硅能够导通，并且在撤去控制极电流后仍能维持导通状态。前三项性能可以通过测量极间电阻进行判断，而后一项则需要进行实际的导通试验。在测量极间电阻时，应使用万用表电阻档的最高档位，并注意阳极与阴极之间的正向电阻和反向电阻，阻值越大表示漏电流越小，从而判断可控硅的性能优劣。

测控制极与阴极之间的电阻时，推荐使用R×10或R×100档进行测量。若正向电阻(即控制极接负笔，阴极接正笔时)极大，接近无穷大，则表示控制极与阴极之间已烧毁，可控硅损坏。而反向电阻则应很大，但需注意，某些可控硅的控制极与阴极之间的反向电阻可能并不高，这属于正常现象。

此外，还可以通过导通试验来进一步检测可控硅的性能。利用万用表的直流电流档(如100mA档或更大电流档)，并外加6V直流电源，按照特定电路连接方式进行测试。在测试过程中，首先断开开关K，此时电流表指示应较小(表示正向阻断状态)。当K闭合时，电流表应有约100mA的读数。若电流很小，则可能表明可控硅的正向压降过大或已损坏。随后断开K，电流表指示应基本保持不变。最后切断6V电源并重复上述过程，若结果一致，则表示可控硅的导通性能良好。若没有万用表，也可用6.3V小灯泡代替电表进行测试，导通时灯泡亮起即可。