可控硅（SCR）觸發(fā)原理進(jìn)行詳細(xì)方法總結(jié)

在設(shè)計可控硅(SCR)觸發(fā)電路時，可控硅(SCR)整個區(qū)域的運行很大程度上取決于其觸發(fā)方式。

在進(jìn)行電路設(shè)計時，需要特別注意確保沒有誤觸發(fā)，同時確保晶閘管在需要時觸發(fā)。

在可控硅(SCR)觸發(fā)中，包括柵極驅(qū)動要求(如果使用柵極觸發(fā))、觸發(fā)時間(需要保持所施加的觸發(fā)激勵時間以使電路鎖存)等各個方面都很重要，各種參數(shù)的重要性取決于所使用的可控硅( SCR )觸發(fā)形式。

可控硅(SCR)觸發(fā)方法總結(jié)

可控硅的觸發(fā)主要取決于溫度、供電電壓、柵極電流等不同的變量。當(dāng)向可控硅施加電壓時，如果陽極端可以與陰極相關(guān)+ve，則可控硅變成轉(zhuǎn)發(fā)偏向。因此該晶閘管進(jìn)入正向阻斷狀態(tài)。

可控硅電路

以下就是常見的可控硅觸發(fā)方法，接下來會對每個可控硅觸發(fā)原理進(jìn)行詳細(xì)講解。

門觸發(fā)

dv/dt 觸發(fā)

溫度觸發(fā)(熱觸發(fā))

光觸發(fā)

正向電壓觸發(fā)

直流柵極觸發(fā)

交流柵極觸發(fā)

脈沖觸發(fā)

阻力觸發(fā)

RC 觸發(fā)

門觸發(fā)

這種形式的可控硅(SCR)觸發(fā)是在使用的不同電路中最常見的一種。

對于大多數(shù)應(yīng)用來說，它簡單、可靠、高效且易于實施，可以應(yīng)用簡單的觸發(fā)信號，并在需要時進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?。這意味著可以使用其他電子電路來獲得合適的觸發(fā)信號，然后將其應(yīng)用于可控硅(SCR)。

對于要使用的柵極可控硅(SCR)觸發(fā)，可控硅(SCR)必須在其擊穿電壓以下運行，并且還允許適當(dāng)?shù)陌踩６纫赃m應(yīng)可能發(fā)生的任何瞬變，否則可能會發(fā)生正向電壓或擊穿觸發(fā)。

開啟可控硅(SCR)，柵極和陰極之間的正柵極電壓，會產(chǎn)生柵極電流，其中電荷被注入器件的內(nèi)部 p 層，這有效地降低了發(fā)生正向擊穿的電壓。

可以看出，柵極電流決定了可控硅切換到其導(dǎo)通狀態(tài)的正向電壓。柵極電流越高，正向擊穿電壓越低。有許多應(yīng)用觸發(fā)信號的簡單方法，最簡單的安排之一如下圖所示。

顯示附加?xùn)艠O電阻的晶閘管電路

可以看出有兩個電阻。第一個是 R1，它用于將柵極電流限制在可接受的水平。選擇該電阻以提供足夠的電流來觸發(fā)可控硅(SCR)，同時將其保持在設(shè)備的安全范圍內(nèi)，它可以使用設(shè)備額定值和歐姆定律輕松計算。

第二個電阻 R2 是柵極陰極電阻，有時也表示為 RGK，包含它是為了防止虛假觸發(fā)。

電阻的作用可以從可控硅(SCR) 的兩個晶體管類比中看出，它表明柵極和陰極之間的低外部電阻繞過了柵極結(jié)周圍的一些電流，因此，需要更高的陽極電流來啟動和保持導(dǎo)通。

特別發(fā)現(xiàn)，低電流高靈敏度可控硅(SCR)在非常低的電流水平下觸發(fā)，因此需要外部柵極 - 陰極電阻來防止柵極區(qū)域中熱產(chǎn)生的泄漏電流觸發(fā)。然而，柵極陰極電阻繞過了由陽極電壓 (dv/dt) 的快速變化率引起的一些內(nèi)部陽極電流。

它還通過降低 NPN 晶體管區(qū)域的效率來提高正向擊穿電壓，因此需要更高的雪崩倍增效應(yīng)來啟動觸發(fā)，繞過柵極結(jié)的電流也會影響鎖存電流和保持電流。由此可見，使用柵極陰極旁路電阻的效果包括：

增加 dv/dt 能力。

保留柵極阻尼以確保最大重復(fù)峰值斷態(tài)電壓 VDRM 能力。

提高鎖存和保持電流水平

降低關(guān)斷時間，tq。

盡管上面所示的簡單電路足以滿足許多需要更可控的觸發(fā)機(jī)制的應(yīng)用，但需要考慮觸發(fā)前、觸發(fā)期間和觸發(fā)后的門特性。這是必需的，因為可控硅(SCR)內(nèi)的電流變化會導(dǎo)致柵極特性發(fā)生變化。

直流門觸發(fā)

在柵極和陰極之間施加適當(dāng)極性的直流電壓(柵極端子相對于陰極為正極)。

當(dāng)施加的電壓足以產(chǎn)生所需的柵極電流時，晶閘管開始導(dǎo)通。

這種方案的一個缺點是電源和控制電路都是直流的，兩者之間沒有隔離。

另一個缺點是必須施加連續(xù)的直流信號，所以柵極功率損耗很高。

dv/dt 觸發(fā)

如果陽極到陰極電壓的上升速率超過特定設(shè)備的特定限制，也可以在沒有任何柵極電流的情況下發(fā)生 可控硅(SCR)觸發(fā)。

如果陽極到陰極電壓的上升速率很高，則通過電容結(jié)的充電電流足夠高，可以打開晶閘管。高值的充電電流可能會損壞晶閘管，因此必須保護(hù)設(shè)備免受高 dv/dt 的影響。

在正向阻斷狀態(tài)，即陽極比陰極更正，結(jié)J 1和J 3正向偏置，而結(jié)J 2反向偏置。因此，由于耗盡區(qū)中的空間電荷，結(jié) J 2表現(xiàn)為電容(J 1和 J 3為具有電介質(zhì) J 2的導(dǎo)電板)。

電容的充電電流為：IC = dQ / dt= d(C j v) / dt

使用微分法則，我們得到 = C j dv / dt + v dC j / dt

由于結(jié)電容幾乎總是恒定的，我們可以忽略結(jié)電容的變化率 dC j / dt。因此，最終的充電電流為：

I C = C j dv/dt

I C：充電電流

C j ：結(jié)電容

Q：電荷

v： 施加在器件上的電壓

dC j / dt ：結(jié)電容的變化率

dv / dt ：施加電壓的變化率

由上可知，如果外加電壓的變化率較大(即突然外加)，則充電電流的流動會增加，從而導(dǎo)致可控硅在沒有任何柵極電壓的情況下導(dǎo)通。

很明顯，我們可以通過增加可控硅(SCR)兩端的電壓變化率而不是施加一個大的正向偏置電壓(就像我們在前面的例子中所做的那樣)來打開可控硅(SCR)。

dv/dt 觸發(fā)缺點：這種方法實際上也被避免了，因為它會導(dǎo)致錯誤的開啟過程，而且這會在可控硅(SCR)上產(chǎn)生非常高的電壓尖峰，因此會對它造成相當(dāng)大的損害。

溫度觸發(fā)(熱觸發(fā))

這種類型的觸發(fā)也稱為熱觸發(fā)，因為可控硅(SCR)通過加熱來轉(zhuǎn)動。而反向漏電流取決于溫度。

如果溫度升高到一定值，空穴對的數(shù)量也會增加，這會導(dǎo)致泄漏電流增加，并進(jìn)一步增加可控硅(SCR)的電流增益。

由于 (α1 + α2) 值趨于一致(隨著電流增益的增加)，這將啟動可控硅(SCR)內(nèi)部的再生動作。

通過增加結(jié)J 2處的溫度，耗盡層的寬度減小。因此，當(dāng)正向偏置電壓接近 V BO時，我們可以通過提高結(jié)溫 (J 2 )來開啟可控硅(SCR)。在特定溫度下，結(jié)的反向偏壓會擊穿器件開始導(dǎo)通。

這種觸發(fā)發(fā)生在某些情況下，特別是當(dāng)設(shè)備溫度更高時(也稱為誤觸發(fā))。

溫度觸發(fā)缺點：這種類型的觸發(fā)實際上不被采用，因為它會導(dǎo)致熱失控，因此可能會損壞設(shè)備或 SCR。

這種形式的可控硅(SCR)觸發(fā)可能在某些情況下發(fā)生。它可能會引起意想不到的反應(yīng)，因此在任何設(shè)計過程中都應(yīng)注意其影響。

光觸發(fā)(輻射觸發(fā))

使用這種方法觸發(fā)光激活可控硅(SCR)的形式常用于高壓系統(tǒng)。

在該方法中，允許具有適當(dāng)波長和強(qiáng)度的光線照射結(jié)J 2。隨著電荷載流子數(shù)量的增加，電流瞬時增加，導(dǎo)致 SCR 開啟。

注意：為了在光輻射的幫助下成功打開 SCR，施加電壓的變化率 (dv / dt) 必須很高。

這些類型的晶閘管包括在 P 層內(nèi)的位置。因此，當(dāng)光線照射到這個位置時，可以在 J2 結(jié)處產(chǎn)生電子-空穴對，在結(jié)的引線處提供額外的電荷載流子，從而觸發(fā)可控硅。

正向電壓觸發(fā)

這里施加的正向電壓逐漸增加到超過一個稱為正向擊穿電壓 VBO 的 pt，并且柵極保持打開。但這種方法不是優(yōu)選的，因為在晶閘管導(dǎo)通過程中，它與大電壓和大電流相關(guān)，從而導(dǎo)致巨大的功率損耗并且可能損壞設(shè)備。

這種形式的 可控硅(SCR)觸發(fā)發(fā)生在陽極和陰極之間的電壓導(dǎo)致發(fā)生雪崩傳導(dǎo)時。結(jié)合可控硅(SCR)結(jié)構(gòu)可以看到發(fā)生這種情況的方式。

可控硅結(jié)構(gòu)

當(dāng)陽極到陰極的正向電壓增加時，二極管結(jié) J2 由于反向偏置而承受越來越大的應(yīng)力。

最終，電壓梯度將增加超過擊穿點，雪崩擊穿將觸發(fā)可控硅(SCR)。

發(fā)生這種情況的電壓稱為正向擊穿電壓 VB0。

當(dāng)結(jié)點 J2 擊穿時，電流將流動并觸發(fā) 可控硅(SCR) 進(jìn)入其導(dǎo)通狀態(tài)。結(jié)點 J1、J3 已經(jīng)正向偏置，因此結(jié)點 J2 的擊穿允許載流子流過所有三個結(jié)點，從而使負(fù)載電流流動。

缺點：與觸發(fā)可控硅(SCR)的其他形式一樣，該設(shè)備仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，不建議使用這種打開設(shè)備的方法，因為超過 VB0 的值可能會損壞設(shè)備。

任何電路都應(yīng)設(shè)計為避免這種觸發(fā)方法，并注意任何可能的電壓尖峰的最大值。

直流柵極觸發(fā)

在此觸發(fā)中，在柵極和陰極端子之間施加足夠的直流電壓，以使柵極相對于陰極為正。柵極電流驅(qū)動可控硅(SCR)進(jìn)入導(dǎo)通模式。

直流柵極觸發(fā)的缺點：

1、在這種方法中，連續(xù)的柵極信號(直流電壓)被施加在柵極上，因此會導(dǎo)致內(nèi)部功率耗散(或更多功率損耗)。

2、另一個重要的缺點是電源和控制電路之間沒有隔離(因為它們都是直流電)。

交流觸發(fā)

交流觸發(fā)是開啟可控硅(SCR)最常用的方法，尤其是在交流應(yīng)用中。

通過電源和控制電路之間的適當(dāng)隔離(使用變壓器)，可控硅(SCR)由來自主電源的相移交流電壓觸發(fā)，通過改變門信號的相位角來控制觸發(fā)角。

交流觸發(fā)的缺點：

1、只有半個周期可用于柵極驅(qū)動來控制觸發(fā)角，而在下半個周期中，在柵極和陰極之間施加反向電壓，這是交流觸發(fā)的限制之一。

2、另一個是需要單獨的降壓或脈沖變壓器來從主電源向柵極驅(qū)動器提供電壓。

交流觸發(fā)電路

脈沖觸發(fā)

觸發(fā)可控硅(SCR)最流行的方法是脈沖觸發(fā)，在這種方法中，柵極被提供單個脈沖或一系列高頻脈沖。

脈沖串觸發(fā)的優(yōu)點：

1、較高柵極電流下的低柵極耗散。

2、小門極隔離脈沖變壓器

3、反向偏置條件下的低功耗是可能的。因此在某些情況下可以使用簡單的觸發(fā)電路

4、當(dāng)?shù)谝粋€觸發(fā)脈沖未能觸發(fā)可控硅(SCR)時，后面的脈沖可以成功鎖存 可控硅(SCR)。

5、觸發(fā)感應(yīng)電路和具有反電動勢的電路。

電阻觸發(fā)

以下電路顯示了電阻觸發(fā)。在這種方法中，可變電阻R用于控制柵極電流，通過使用這種方法，我們可以實現(xiàn)高達(dá) 90° 的最大觸發(fā)角。

電阻觸發(fā)

根據(jù) R 的值，當(dāng)柵極電流的大小達(dá)到足夠的值(器件的鎖存電流)時，可控硅(SCR)開始導(dǎo)通。

二極管D稱為阻塞二極管，它可以防止柵極陰極結(jié)在負(fù)半周期中受到損壞。

RC 觸發(fā)

以下電路顯示了電阻-電容觸發(fā)。

通過使用這種方法，我們可以實現(xiàn)大于 90° 的發(fā)射角。在正半周，電容通過可變電阻 R 充電至施加電壓的峰值。

變電阻R控制電容的充電時間，取決于電容兩端的電壓，當(dāng)足夠量的柵極電流將在電路中流動時，可控硅(SCR)開始導(dǎo)通。

電阻-電容觸發(fā)

在負(fù)半周，電容C通過二極管D2充電至負(fù)峰值，二極管D1用于防止柵極陰極結(jié)在負(fù)半周反向擊穿。

設(shè)計可控硅觸發(fā)電路

當(dāng)可控硅正向偏置時，通過在柵極和陰極端子之間施加正柵極電壓來注入柵極信號，然后晶閘管導(dǎo)通。

下圖顯示了施加?xùn)艠O信號后的陽極電流波形。

施加?xùn)艠O信號后的陽極電流波形

ton是導(dǎo)通延遲時間，導(dǎo)通延遲時間是柵極信號施加與晶閘管導(dǎo)通之間的時間間隔。

導(dǎo)通延遲時間 ton 定義為 10% 的穩(wěn)態(tài)柵極電流 0.1I g和 90% 的穩(wěn)態(tài)晶閘管導(dǎo)通電流 0.9It。

t on是延遲時間 td 和上升時間 t r之和。

延遲時間td定義為穩(wěn)態(tài)柵極電流 (0.1 I g ) 的 10% 和晶閘管導(dǎo)通電流 (0.1 I T ) 的 10% 之間的時間間隔。

上升時間t r定義為晶閘管陽極電流從晶閘管通態(tài)電流的10% (0.1I T ) 到晶閘管通態(tài)電流的90% (0.9I T ) 所用的時間。

在設(shè)計柵極晶閘管觸發(fā)電路時，應(yīng)牢記以下幾點：

1、當(dāng)晶閘管導(dǎo)通時，柵極信號應(yīng)立即移除。即使在觸發(fā)和晶閘管之后連續(xù)施加?xùn)艠O信號也會增加?xùn)艠O結(jié)的功率損耗。

2、晶閘管反向偏置時不應(yīng)施加門極信號。

3、柵極信號的脈沖寬度應(yīng)大于陽極電流上升到保持電流值I H所需的時間。

4、施加的負(fù)柵極信號不能關(guān)斷晶閘管。

5、為了停止晶閘管的傳導(dǎo)，我們必須使流過晶閘管的陽極電流低于保持電流水平。保持電流可以定義為在沒有柵極信號的情況下將晶閘管維持在導(dǎo)通狀態(tài)所需的最小陽極電流，低于該柵極信號晶閘管停止導(dǎo)通。