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可控硅电源(可控硅工作原理及参数详解)

可控硅全称可控硅，缩写为SCR，或晶闸管，是一种三PN结四层的大功率半导体器件。可控硅(SCR)体积小，结构简单，功能强大。它可以起到多种作用，如变频、整流、逆变、无触点开关等。因此，它被广泛应用于各种电子产品中，如调光灯、照相机、无线电遥控器、音响等。

其示意符号如下图所示:

(资料图片仅供参考)

从SCR的电路符号可以看出，它和二极管一样是单向导通的器件，但是它有一个控制电极G，这使得SCR具有和二极管完全不同的工作特性。可控硅整流器(SCR)是一种能够处理高电压和大电流的大功率器件。随着设计技术和制造技术的发展，其容量越来越大。

SCR的基本结构如下图所示:

具有由三个PN结(J1、J2、JBOY3乐队)组成的四层P1-N1-P2-N2结构的半导体器件具有三个外部电极。从最外面的P型半导体材料引出的电极作为阳极A，从中间的P型半导体材料引出的电极称为控制电极G，从最外面的N型半导体材料引出的电极称为阴极k，可以等效为如图所示的两个三极管电路。

我们来看看SCR的工作原理:

如下图所示，在初始状态下，电压VAK施加在晶闸管的A端和K端。此时，三极管Q1和Q2都处于截止状态，两个晶体管的位置互不侵犯。

此时，在A极和K极之间施加VAK电压，更大允许电压VAK为关态重复峰值电压VDRM(峰值重复关态电压)和对应的关态重复峰值电流IDRM(峰值重复关态电流)。

如下图所示，电压VGK施加到G、K极后，Q2的发射极结由于正向偏置而导通，从而产生基极电流IB2。此时，晶闸管阳极电流IA为0，Q1的基极电流IB1也为0，并且电阻器R2上没有电压降。因此，Q2的集电极-发射极电压VCE2为VAK，通常远高于VBE2。即使测试数据手册中的参数，VAK也至少是6V，而在实际应用中，VAK将是几百v。因此，晶体管Q2的发射极结正向偏置，集电极结反向偏置，开始处于放大状态。

只有在G和K上加上直流电压后，晶闸管才能导通。这个触发电压的最小值称为栅极触发电压VGT(Gate Trigger Voltage)，它是PN结的结电压(不是电池电压VGK)。此时，流过栅极的电流称为栅极触发电流IGT(栅极触发电压)。

刚刚进入放大状态(微导通)的晶体管Q2放大基极电流IB2，对应的集电极电流为IC2，数值为(IB2×β2)。虽然放大了β2倍，但此时IC2还是比较小，所以IA和IB1也比较小(但不再为零)。电阻R2中也有小电流，可视为完整的电流回路。然而，此时Q2的收藏家

同时，晶体管Q1的发射极总是VAK(更高电压)，集电极总是处于较低电压(VBE2)。只要给基极设置一个合适的电压，它就可以进入放大状态，所以它一直在徘徊，休眠备用。Q2集电极电流IC2的出现使晶体管Q1有机化。

晶体管Q2在微导通状态下形成的电路使晶体管Q1基极缺乏的电压一步到位，时机终于成熟，所以晶体管Q1刚刚进入放大状态(微导通)！因为IB1和IC2相同，所以Q1放大的IB1的集电极电流IC1 =(ib2×β2×β1)，比IC2高β1倍。

晶体管Q1放大的集电极电流IC1无处可逃，只好钻到晶体管Q2的基极(不会到电阻R1这边来，因为电压VGK肯定比VBE2高，水下去了)，IC1变成IB2，晶体管Q2的基极电流IB2换成(IB2×β2×β1)，增加了(β2×β1)倍。

俗话说，人多好办事。这个较大的基极电流IB2被晶体管Q2第二次放大。此时IC2为(IB2×β2×β1×β2)，然后被两个晶体管正反馈反复放大，周而复始。

在这个过程中，晶体管Q2的集电极-发射极压降越来越小，阳极电流IA的电流越来越大。最后Q2饱和(Q1也不甘示弱，适当保持节奏)，最后变成下图所示:

Q1和Q2全导通时(晶闸管开通)，A和K之间的压降很小，实际上是Q1发射极结电压VBE1+ Q2集电极-发射极饱和电压VCE2，称为正向导通电压VTM(Forward On-State Voltage)。

可以看出，VAK的电压值最终加到了电阻R2上，整个过程就是一个由电压VGK引起的“血案”。电阻器R2上没有电压降，在VGK电压触发晶闸管后，VAK电压全部加到电阻器R2上。

晶闸管全通后，流过A、K极的电流就是通态电流IT(通态电流)。在实际应用中，VAK通常为交流电压(如220VAC)，因此该参数常被标注为通态平均电流IT(RMS)，它是指晶闸管能连续通过的工频正弦半波电流(在一个周期内)的平均值。此时流过G极和K极的电流为栅极电流IG(栅极电流)，该电流不应超过更大峰值栅极电流IGM(正向峰值栅极电压)。

当VAK是交流电源的负半周时，晶闸管被阻断，因为A极和K极被施加了反向电压。此时允许施加的更大电压称为峰值重复反向阻断电压VRRM(峰值重复反向阻断电压)。由于晶闸管的电阻不是无穷大，此时的电流称为峰值重复反向阻断电流IRRM(峰值重复反向阻断电流)。

这两个值和之前介绍的IDRM和VDRM是一样的，只不过IDRM和VDRM是在G极关断、可控硅阻断的情况下测得的，而IRRM和VRRM是在可控硅A、K极反向电压下测得的。

如果在晶闸管的阳极A和阴极K之间加一个反向电压，晶闸管起初会处于反向阻断状态，只有很小的反向漏电流流过。当反向电压增加到一定值时，反向漏电流急剧增加。此时，相应的电压称为峰值非重复电压VR *** (峰值非重复电压)。

我们只是用R2(和R1)作为一个象征性的限流电阻。其实R2可以是一个负载，比如一个灯泡，如下图所示:

当G、K极不加直流电压时，A、K断开，灯泡不亮。

当直流电压加在G和K上时，A和K之间的电压就相当于短路，于是所有的VAK电压都加在灯泡上，使其发光。

地盘之争引发的“血案”结束了！

但是还是有下面的！

如果在A和K之间充分导通之后，我们拿掉电压VGK以试图使灯泡熄灭，如下所示:

不幸的是，它没有成功，但灯泡仍然走在前面，发出耀眼的光嘲笑我们，因为VGK在这个时候是无用的。尽管没有VGK，晶闸管内部仍然会有三极管电流的正反馈来保持晶闸管导通。

当G门打开时，使晶闸管保持导通状态所需的最小正向电流称为保持电流IH(保持电流)。还有一个锁存电流IL(Latch current)，它是在晶闸管从关断状态切换到导通状态并且G极触发信号被移除之后保持晶闸管导通所需的最小电流。对于同一个晶闸管，IL通常是IH的几倍。

导演，我不明白这两者的区别！其实这和数字电路中的电平差不多，如下图所示: