【技术】解析可控硅结构及等效电路
可控硅又叫晶闸管,和其它半导体器件一样,具有体积小、效率高、稳定性好、工作可靠等优点。可控硅作为非常成熟的半导体器件,从弱电到强电,消费电子到工业等都得到广泛应用,可以作为整流、无触点电路开关以及逆变应用等,本章重点对于其结构以及等效电路展开分析,有助于读者加深对于可控硅产品的了解与认知。
可控硅从电气符号上相比于二极管多了一个门极引脚,从功能上来说都属于整流器,可控硅通过门极的控制可以实现导通角的调整。四层PN结的结合,可以拆成PNP三极管与NPN三极管复合结构,其中PNP的基极与NPN集电极连接,PNP集电极与NPN基极连接,构成了自锁回路。
当门极有足够驱动信号给到时,下管NPN导通工作,上管PNP门极通过下管NPN集电极给到的驱动电流,使得上官PNP也导通,通过互锁电路的正反馈,使得两个三极管进入饱和导通模式,此时已经无需外部继续提供驱动信号。从工作原理上来看,可控硅属于半控型器件,只可控制其开通,关断条件为主回路中电流过零时。
可控硅分单向可控硅和双向可控硅两种。双向可控硅也叫三端双向可控硅,简称TRIAC。双向可控硅在结构上相当于两个单向可控硅反向连接,这种可控硅具有双向导通功能。其通断状态由门极决定,在门极上加正脉冲(或负脉冲)可使其正向(或反向)导通。下图为正向与反向可控硅以及两者结合起来的双向可控硅。
从结构上可以看到双向可控硅PN结的结合方式要复杂很多,不管是阴极、阳极还是门极,其中都是由PN两个结同时构成,下面对于其工作象限展开解析,就能更容易理解其工作机理。
第一象限
门极与MT1两端施加正驱动信号,门极的P结与MT1的N结构成导通路径,此时在MT2与MT1两端施加正向电压,即Vmt2-mt1>0,相应的MT2 P结介入导通,因此构成了自上而下的PNN与NPN结构与电流路径,因此工作在第一象限,驱动电压与主回路工作电压同为正。
第二象限
门极与MT1两端施加负驱动信号,主电路当中Vmt2-mt1为正,等效电路如下图,可见此时左侧NPN1电压Vmt1-g为正压,此时左侧NPN1三极管导通,对应的上管PNP基极得到驱动信号从而导通,继而NPN2基极得到驱动信号导通,此时去掉门极信号,上管PNP与下管NPN2已经构成正反馈自锁电路,第二象限工作电压为负,驱动电压为正。
第三象限
门极与MT1继续施加负压驱动信号,主电路Vmt2-mt1为负,等效电路图如下,此时NPN1因为驱动负压的存在而开始导通工作,NPN2基极与NPN1基极相通,因此NPN2有了驱动信号而导通,PNP基极在NPN2导通之后有了驱动电流导通,拉动NPN3导通,之后构成正反馈自锁电路。此时工作在第三象限,工作电压与驱动电压同时为负。
第四象限
门极与MT1施加正压驱动信号,主电路Vmt2-mt1为负,等效电路图如下,其中NPN1在门极驱动信号加持下导通,NPN2基极与NPN1共用,因此NPN2导通,给PNP基极带来驱动电流,同样的NPN3导通,从而构成正反馈自锁电路,此时的门极电压为正,主电路工作电压为负。
常用的双向可控硅有两种类型,标准的四象限、优化型型的三象限,三象限可控硅是通过在MT2端发射极做了特殊处理,防止其在第四象限导通,提高了换流能力,对于变化较大的负载,尤其是感性负载具有较大的dv/dt变化,容易引起可控硅的误导通,因此三象限可控硅增强了抗噪性,减少对保护电路的要求,以及提高防误触发能力。
可控硅变形:Sidactor,也叫固体放电管,是一种不需要触发引脚就能工作的可控硅。
可控硅常用的触发方式为门极触发,但还有一些不被人所熟知的触发方式,比如:高dv/dt,温度触发,光触发等,固体放电管就是利用可控硅的特性,在触发方式做了优化,因此去除了对于门极引脚的需求,结构如下,在工作电压超过击穿电压时,固体放电管导通,工作特性跟雷击常用的气体放电管类似,作为半导体产品,其具有响应速度快、漏电流小、无寿命衰减以及可靠性高等优点,常用于通信端口的浪涌保护,以及与压敏电阻搭配作为电源输入端的雷击保护,可以有效降低残压,对于功率器件有更好的保护效果。
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