晶闸管或可控硅整流器SCR电路设计

晶闸管或可控硅整流器SCR是一种特别有用的元件，它在功率控制等领域有许多用途，这些元件可用于切换高电压和电流。

晶闸管已经接管了曾经由继电器处理的大多数电源开关应用，尽管仍在使用非常高的电压接触器。

晶闸管或可控硅整流器，可控硅设计可以直接进行。这些器件虽然有点不寻常，但遵循与其他组件相同的基本电路设计规则。

主要问题是确保所有组件都具有足够的额定值，因为晶闸管电路通常用于高功率应用。

晶闸管、可控硅电路基础知识

晶闸管或可控硅整流器的工作方式与标准双极晶体管或 FET 的工作方式不同。

晶闸管有两个电极，分别连接到要控制的主电路。这两个电极称为阳极和阴极。

第三个电极称为栅极，用于控制电路内的晶闸管。

晶闸管或可控硅电路符号

要了解 SCR 在电路中的工作原理，最好查看其等效电路。由此可以看出，可控硅可以认为由两个互连的晶体管组成。

在初始条件下，阳极和阴极之间没有导电。但是，如果电流施加到栅极上，使TR2导通，则SCR将导通，但仅在一个方向上导通。即使栅极电流被移除，这种传导也将保持不变。这样，栅极电流可以被视为触发脉冲。

为了停止导通，需要将阳极和阴极之间的电压降低到压差水平以下。当一个或两个晶体管达到其截止模式时，就会发生这种情况。此时，整个器件的导通将停止，需要重新触发栅极。

晶闸管的等效电路

可以收集到，晶闸管，SCR只在一个方向上导电。当与交流信号一起使用时，它需要在每个传导半周期内重新触发。

一旦晶闸管 SCR 处于完全导通状态，对于所有阳极电流值，器件两端的压降通常约为 1 V，直至其额定值。

然后，当阳极电流保持在器件的保持电流之上时，SCR 继续导通，该电流通常表示为 IH。低于此值，SCR停止导通。因此，在直流和一些高电感交流电路中，必须有一种关闭设备的方法，因为 SCR 将继续导通。

晶闸管栅极电路设计

为了防止栅极过载和误触发，一些电阻器通常放置在栅极电路中。

晶闸管电路显示额外的栅极电阻

在设计SCR电路时，通常包括两个栅极电阻。

在图中，R1用于将栅极电流限制在可接受的水平。选择该电阻器是为了提供足够的电流来触发 SCR，同时又不会提供太多的电流以致栅极结处于应力之下。

第二个电阻R2是栅极阴极电阻，有时表示为RGK，以防止杂散触发。它有效地降低了栅极的灵敏度。

有时，该电阻器可能包含在 SCR 封装本身中，可能不需要外部电阻器。有必要检查制造商的数据表以确定需要什么。

在设计晶闸管、可控硅电路时，需要特别注意使用这些电子元件的任何电子电路设计中的触发电路。

晶闸管或可控硅整流器电路的整个区域的工作很大程度上取决于其触发方式。

在进行电路设计时，需要特别注意确保没有误触发，同时确保晶闸管在需要时触发。

在晶闸管或可控硅的触发过程中，包括栅极触发时的栅极驱动要求、触发时间（其中需要保持触发激励的时间以锁存电路）等各个方面都很重要。

当然，各种参数的重要性取决于所使用的SCR触发形式。由于有多种触发机制可用，因此有必要了解所有这些机制，以确保发生正确的触发。

SCR触发/点火总结

在使用这些元件进行电子电路设计时，了解晶闸管触发的不同方式将有很大帮助。

了解晶闸管触发的不同方式可以确保器件仅在需要时触发，而不是在另一个激励器件启动器件内的触发机制时触发。

晶闸管或 SCR 有几种触发或触发方式，但并非所有方法乍一看都很明显。

• 门触发：

这种形式的 SCR 触发是电子电路设计中最常见的一种。它简单、可靠、高效，并且易于实现，适用于大多数应用——可以应用简单的触发信号，并在需要时进行适当的处理。

这意味着可以使用其他电子电路来获得合适的触发信号，然后将其应用于电路设计中的SCR栅极。

为了使用栅极 SCR 触发，SCR 必须在低于其击穿电压的情况下运行，并且还允许适当的安全裕度以适应可能发生的任何瞬态。否则可能会发生正向电压或击穿触发。

要导通 SCR，栅极和阴极之间的栅极电压为正。这会产生栅极电流，其中电荷被注入器件的内 p 层。这有效地降低了发生正向击穿的电压。可以看出，栅极电流决定了器件切换到其导通状态时的正向电压。栅极电流越高，正向击穿电压越低。

有许多简单的方法可以应用触发信号。可能最简单的安排之一如下图所示。

晶闸管电路显示额外的栅极电阻

这里可以看出有两个电阻器。第一个是R1，用于将栅极电流限制在可接受的水平。选择该电阻器是为了提供足够的电流来触发 SCR，同时将其保持在器件的安全范围内。它可以很容易地使用器件额定值和欧姆定律来计算。

第二个电阻R2是栅极阴极电阻。这有时表示为 RGK，包括它以防止虚假触发。电阻的作用可以看作是相对于SCR的两个晶体管类比。它表明栅极和阴极之间的低外部电阻绕过了栅极结周围的一些电流。

因此，需要更高的阳极电流来启动和维持导通。特别发现，低电流、高灵敏度的可控硅在非常低的电流水平下被触发，因此需要外部栅极-阴极电阻来防止栅极区域热产生的泄漏电流触发。

然而，栅极阴极电阻绕过了由阳极电压（dv/dt）的快速变化率引起的一些内部阳极电流。它还通过降低NPN晶体管区域的效率来提高正向击穿电压，因此需要稍高的雪崩倍增效应来启动触发。

旁路栅极结点的电流也会影响闭锁和保持电流。

由此可见，使用栅极阴极旁路电阻的效果包括：

增加 dv/dt 能力。

保持栅极阻尼，以确保最大重复峰值关断状态电压VDRM能力。

提高闩锁和保持电流水平

降低关断时间tq。

虽然上面所示的简单电路足以满足许多需要更可控触发机制的应用，但在触发之前、触发期间和之后需要考虑栅极特性。这是必需的，因为栅极特性会随着器件内部的电流变化而变化。

• 阳极正向电压可控硅触发：

当阳极和阴极之间的电压导致发生雪崩传导时，就会发生这种形式的 SCR 触发或触发。这种情况发生的方式可以与SCR结构一起看出。

晶闸管结构式

当阳极到阴极的正向电压增加时，二极管结J2在反向偏置时承受更大的应力。最终，电压梯度将超过击穿点，并且将发生雪崩击穿，从而触发SCR。发生这种情况的电压称为正向击穿电压VB0。

当结 J2 击穿时，电流将流动并触发 SCR 至其导通状态。结 J1、J3 已经正向偏置，因此结 J2 的击穿允许载流子流过所有三个结，从而使负载电流流动。与其他形式的SCR触发一样，器件保持其导电状态。

不建议使用这种打开设备的方法，因为超过 VB0 的值可能会损坏设备。任何电路都应设计为避免这种触发方法，并注意任何可能的电压尖峰的最大值。

• DV/DT 触发：

如果阳极上升到阴极电压的速率超过特定器件的特定限制，也可以在没有任何栅极电流的情况下触发 SCR。

了解 dV/dt 触发非常重要，因为晶闸管两端的瞬态电压会导致其触发，有时是意外触发。它通常是不必要的和间歇性触发的原因。

• 温度触发：

在某些情况下可能会发生这种形式的 SCR 触发。它可能会引起意想不到的反应，因此在任何设计过程中都应注意其影响。

当结 J2 两端的电压和任何泄漏电流都可能使结的温度升高时，会发生 SCR 或晶闸管的温度触发。温度的升高会进一步升高温度，从而增加泄漏电流。这种累积过程可能足以触发 SCR，尽管它往往只在器件温度较高时发生。

• 光触发：

这种形式的 SCR 触发或触发通常用于高压系统。这里不需要从发射机构进行电气连接，可以使用隔离光源。

在使用轻型 SCR 触发时，可以使用特制的 SCR。稍后在内部 P 型内发生光触发。当该区域被光照射时，会产生自由电荷载流子，就像施加栅极信号一样，可控硅被触发。

为了实现最大的光吸收，使用了专门的SCR结构，通常在内部P型后期有一个凹槽，以便最大限度地接触光线。

为了能够触发光，通常使用光纤将光引导到晶闸管/可控硅中的正确点。一旦光线超过一定强度，就会发生切换。这种类型的 SCR 通常被称为光激活 SCR 或 LASCR。这些LASCR已用于高压配电开关中心。光开关可实现非常高的隔离度，同时仍能够使用低电平电路进行开关。

直流晶闸管/可控硅电路

在许多应用中，需要SCR电路来控制直流负载的运行。这可用于直流电机、灯或任何其他需要开关的负载。

下面给出的基本 SCR 电路能够使用一个小开关来控制负载的电源，以启动对负载的电源施加。

基本直流晶闸管/可控硅电路

最初，当 S1 闭合且 S2 断开时，不会有电流流动。只有当 S2 闭合并通过使栅极电流流动来触发栅极时，SCR 电路才会导通，电流才会在负载中流动。

电流将继续流动，直到阳极电路中断。这可以使用 S1 来完成。另一种方法是将开关 S1 置于 SCR 两端，通过短暂闭合它，SCR 两端的电压将消失，SCR 将停止导通。

由于它们在该 SCR 电路中的功能，S1 可称为 Off 开关，S2 称为 ON 开关。在这种配置中，S1 需要能够承载满载电流，而 S2 只需要能够承载栅极电流。

一旦 SCR 接通，开关可以松开并保持打开状态，因为 SCR 的作用维持流过器件的电流，从而维持负载。

电阻R1通过开关将栅极连接到电源。当开关 S2 闭合时，电流流过电阻器，进入栅极并接通 SCR。必须计算电阻R1，以提供足够的栅极电流来打开SCR电路。

包括 R2 以降低 SCR 的灵敏度，使其不会因任何可能拾取的噪声而触发。

基本交流晶闸管/可控硅电路

当交流电与晶闸管电路一起使用时，需要进行一些更改，如下所示。

造成这种情况的原因是交流电源在循环过程中反转极性。这意味着 SCR 将变为反向偏置，从而有效地将阳极电压降低到零，使其在每个周期的一半时间内关闭。因此，无需关闭开关，因为这是使用交流电源的一部分。

基本交流晶闸管/可控硅电路

该电路的工作原理与直流可控硅电路的工作原理略有不同。当开关打开时，电路需要等到有足够的阳极电压可用，因为交流波形沿其路线移动。此外，SCR电路需要等到电路栅极部分内的电压能够提供足够的电流来触发SCR。为此，开关必须处于闭合位置。

一旦触发，SCR将在周期的正半部分保持其导通状态。随着电压的下降，阳极阴极电压不足以支持传导。此时，SCR将停止导电。

然后在周期的负半部分，SCR 将不导通。只有当周期的下一个正半部分返回时，该过程才会重复。

因此，该电路仅在栅极开关处于闭合位置时才会导通。

使用这种性质的 SCR 电路的问题之一是它不能为负载提供超过 50% 的功率，因为它在交流周期的负半部分不导通，因为 SCR 是反向偏置的。

带栅极相位控制的交流可控硅电路

可以通过改变可控硅导电的半周期比例来控制到达负载的功率。这可以通过使用集成输入栅极信号相位控制的 SCR 电路来实现。

交流晶闸管电路波形

使用带相位控制的可控硅电路，可以看出可控硅栅极信号来自二极管D1之前由R1、VR1和C1组成的RC电路。

与基本的交流可控硅电路一样，只有波形的正半周期是值得关注的，因为可控硅是正向偏置的。在这个半周期内，电容器 C1 通过由 R1 和 VR1 组成的电阻网络从交流电源电压充电。

C1正端的波形滞后于输入波形的波形，只有当电容器高端的电压上升到足以通过D1触发SCR时，栅极才会被触发

.因此，SCR的开启点比RC网络不存在时通常发生的开启点有所延迟。

设置 VR1 的值会改变延迟，从而改变 SCR 传导的周期比例。通过这种方式，可以调节进入负载的功率。

带栅极相位控制的交流晶闸管电路

串联电阻R1用于将电阻网络的最小值限制在可为SCR提供可接受栅极电流水平的值。

通常，为了完全控制 SCR 可用于导通的 50% 周期，栅极波形的相位角必须在 0° 和 180° 之间变化。

晶闸管撬棍过压保护电路

晶闸管的另一个有用电路是提供过压保护的电路。

过压保护可能是许多电源设计的一个主要方面。特别是在线性电源中，串联稳压器元件发生故障的可能性可能导致对供电电路施加大电压，并有可能造成灾难性损坏。

尽管这种可能性可能相对较小，但这种性质的故障的影响可能非常大。

为了防止此类故障，可以使用晶闸管或SCR撬棍电路。虽然在某种程度上相当粗糙，但它非常有效。

审核编辑：黄飞