详解晶闸管工作原理，全面掌握开关控制技术

晶闸管是具有双稳态行为的三端电子元件。控制端称为“门极”(G)。另外两个端子，阳极(A)和阴极(K)，与负载串联导通电流，并且能够承受高电压。这些元件被用作电子开关。

 

简介

 

晶闸管用于直流和交流电路中的开关和功率控制电路。与晶体管不同，大多数晶闸管的门极信号可以移除，它们仍会保持导通状态。晶闸管设计用于处理高电流和高电压，甚至超过1 kV或100 A。

 

它们是具有四个交替P型和N型材料层的半导体器件，形成P-N-P-N结构。其实际应用旨在功率调节，如灯具调光器或电机速度控制。它们还可用于将交流电转换为直流电，并控制输出电压。它们还可以用作安全开关，保护电路免受过流影响。

 

直流电路中的SCR二极管

如图1所示，SCR二极管由三个结组成：

· 一个PN结(g1)

· 一个NP结(g2)

· 另一个PN结(g3)

 

其符号类似于传统二极管，具有阳极和阴极，但多了一个电极——门极。如果在阳极相对于阴极施加正电压，SCR二极管与普通二极管不同，不允许任何电流通过。当在“门极”端施加相对于阴极的正电压时，电流开始流经该元件。因此，即使门极上没有电压，二极管也始终导通。这种导通状态会持续到电路电源中断为止。

图1

 

现在需要观察SCR二极管的两个重要特性：

 

· 当它进入导通状态时，门极端子不再对元件的运行有任何控制权。

· 流过的电流不能被调制到中间值。

 

基于这些前提，可以创建一个简单的SCR二极管电路图，当在其门极施加电压时，它会为串联的负载供电。图2展示了一个典型的控制电路解决方案，该电路使用SCR来控制负载的电流供应。最初，晶闸管处于阻断状态，即不导通电流，即使存在24 V的电源电压，阳极和阴极之间也没有电流通过。

 

晶闸管的门极没有接收到任何激活信号，因此器件保持关闭状态。门极信号由产生三角信号的源生成。一旦其电压达到约1.7 V，晶闸管就会被“永久”激活，并开始在阳极和阴极之间导通电流。通常，触发晶闸管需要0.8 V到1.8 V之间的脉冲。SCR可以通过再生过程达到触发状态，该过程可以与两个双极晶体管的等效模型相关联。在直流电路中，晶闸管的内部结构使其能够通过保持电流保持触发状态，只有在电源中断时才会解除触发。

 

请注意，在此示例中，电路以直流模式运行。一旦激活，即使移除门极信号，晶闸管仍保持导通状态。这种解决方案的一个有用应用是通过按钮激活灯。在导通期间，阳极和阴极之间的电压显著降低，通常降至几伏。在导通状态下，器件可以传导高电流。只有当阳极和阴极之间的电压降至零或反向时，晶闸管才会停止导通，如在交流(AC)电路中。

 

当电流降至保持值以下时，也会达到关闭状态。第一个波形图显示了随时间施加在门极上的电压，其值在0 V到3 V之间，呈三角信号。该信号用于激活晶闸管。第二个波形图显示了流经晶闸管阳极的电流。一旦激活，它始终保持导通状态。即使在移除门极信号后，晶闸管仍保持导通。最后，第三个波形图显示了晶闸管在时域中耗散的功率。

图2

 

控制负载的开关按钮

 

本节讨论的电路(如图3所示)在继电器系统、自动门控制或工业电机的手动控制系统中非常常见。以下解决方案展示了一个带有两个按钮和一个电机的控制电路。它由两个按钮P1和P2组成。

 

第一个按钮通常是关闭的，而第二个按钮通常是打开的。电池为电路提供电压，在这种情况下，电路和电机都在直流电下工作。P2是启动按钮：如果按下，它会向SCR的门极发送一个脉冲，使其导通。一旦激活，SCR保持导通状态，为电机供电。另一方面，P1是停止按钮，中断流向SCR的主电流，关闭电机。

当电流停止时，SCR关闭，电路返回等待状态。电机仅在SCR处于导通状态时供电。在此电路中，SCR充当受控开关;单个门极脉冲可将其打开，但要将其关闭，必须中断流向负载的电流。在同一图中，可以观察到三个波形图：

 

· 第一个波形图位于顶部，显示了通过按钮P2(启动按钮)施加在SCR门极上的电压。请注意，存在一个持续约半秒的短正脉冲。该脉冲通过门极激活SCR，启动晶闸管的导通并启动电机。

· 第二个波形图位于中间，显示了按钮P1(停止按钮)的活动。持续约200毫秒，它中断了主电流的流动，关闭SCR并停止电机。此开关可以用继电器或其他固态功率电子元件替换。

· 最后一个波形图位于底部，是最重要的一个，显示了通过SCR阳极的电流，即为电机供电的电流。最初，电流为零约3秒，然后通过按下P2按钮上升到稳定值，表明SCR完全导通，因此电机正在运行。几秒钟后，电流再次降至零，表明P1按钮已停止导通，关闭SCR并停止电机。

图3

 

交流电路中的SCR二极管

 

尽管SCR本质上是直流器件，但大多数SCR应用用于交流功率控制。SCR用于交流功率控制应用的主要原因是晶闸管对交流电的独特响应。它在交流半周期内保持导通状态，直到电流降至零，开始下一个半周期。此时，晶闸管关闭，必须在下一个周期内再次开启。结果是类似于“削波”正弦波的电流。图4展示了一个非常基本的电路解决方案，该电路将晶闸管置于触发极限，通过电位器精细调节。

图4

 

结论

 

总之，晶闸管是电力电子中的基本元件，用于控制高电流流动，应用包括电压调节器、电机控制和电力系统。然而，影响其性能的关键因素之一是温度：温度升高会降低可安全管理的电流值，并加速器件的退化，缩短其平均寿命。因此，必须采用适当的热消散解决方案，以确保可靠运行并延长晶闸管的使用寿命。