可控硅元件的工作原理及基本特性1

可控硅元件的工作原理及基本特性
1、工作原理
可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成，其等效图解如图1所示

图1 可控硅等效图解图
当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=β2ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic2。此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=β1ib1=β1β2ib2。这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。
由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。
由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化，此条件见表1
表1 可控硅导通和关断条件
状态 条件 说明
从关断到导通 1、阳极电位高于是阴极电位2、控制极有足够的正向电压和电流 两者缺一不可
维持导通 1、阳极电位高于阴极电位2、阳极电流大于维持电流 两者缺一不可
从导通到关断 1、阳极电位低于阴极电位2、阳极电流小于维持电流 任一条件即可
2、基本伏安特性
可控硅的基本伏安特性见图2

图2 可控硅基本伏安特性
（1）反向特性
当控制极开路，阳极加上反向电压时（见图3），J2结正偏，但J1、J2结反偏。此时只能流过很小的反向饱和电流，当电压进一步提高到J1结的雪崩击穿电压后，接差J3结也击穿，电流迅速增加，图3的特性开始弯曲，如特性OR段所示，弯曲处的电压URO叫“反向转折电压”。此时，可控硅会发生永久性反向击穿。

图3 阳极加反向电压
（2）正向特性
当控制极开路，阳极上加上正向电压时（见图4），J1、J3结正偏，但J2结反偏，这与普通PN结的反向特性相似，也只能流过很小电流，这叫正向阻断状态，当电压增加，图3的特性发生了弯曲，如特性OA段所示，弯曲处的是UBO叫：正向转折电压

图4 阳极加正向电压
由于电压升高到J2结的雪崩击穿电压后，J2结发生雪崩倍增效应，在结区产生大量的电子和空穴，电子时入N1区，空穴时入P2区。进入N1区的电子与由P1区通过J1结注入N1区的空穴复合，同样，进入P2区的空穴与由N2区通过J3结注入P2区的电子复合，雪崩击穿，进入N1区的电子与进入P2区的空穴各自不能全部复合掉，这样，在N1区就有电子积累，在P2区就有空穴积累，结果使P2区的电位升高，N1区的电位下降，J2结变成正偏，只要电流稍增加，电压便迅速下降，出现所谓负阻特性，见图3的虚线AB段。
这时J1、J2、J3三个结均处于正偏，可控硅便进入正向导电状态---通态，此时，它的特性与普通的PN结正向特性相似，见图2中的BC段
3、触发导通
在控制极G上加入正向电压时（见图5）因J3正偏，P2区的空穴时入N2区，N2区的电子进入P2区，形成触发电流IGT。在可控硅的内部正反馈作用（见图2）的基础上，加上IGT的作用，使可控硅提前导通，导致图3的伏安特性OA段左移，IGT越大，特性左移越快。

图5 阳极和控制极均加正向电压
如何鉴别可控硅的三个极
　
鉴别可控硅三个极的方法很简单，根据P-N结的原理，只要用万用表测量一下三个极之间的电阻值就可以。
阳极与阴极之间的正向和反向电阻在几百千欧以上，阳极和控制极之间的正向和反向电阻在几百千欧以上（它们之间有两个P-N结，而且方向相反，因此阳极和控制极正反向都不通）。
控制极与阴极之间是一个P-N结，因此它的正向电阻大约在几欧-几百欧的范围，反向电阻比正向电阻要大。可是控制极二极管特性是不太理想的，反向不是完全呈阻断状态的，可以有比较大的电流通过，因此，有时测得控制极反向电阻比较小，并不能说明控制极特性不好。另外，在测量控制极正反向电阻时，万用表应放在R10或R1挡，防止电压过高控制极反向击穿。
若测得元件阴阳极正反向已短路，或阳极与控制极短路，或控制极与阴极反向短路，或控制极与阴极断路，说明元件已损坏。
可控硅元件—可控硅整流电路
　
一、单相半波可控整流电路
1、工作原理
电路和波形如图1所示，设u2=U2sinω。

图1 单相半波可控整流
正半周：
0＜t＜t1,ug=0,T正向阻断，id=0,uT=u2,ud=0
t=t时,加入ug脉冲，T导通，忽略其正向压降，uT=0,ud=u2,id=ud/Rd。
负半周：
π≤t＜2π当u2自然过零时，T自行关断而处于反向阻断状态，ut=0,ud=0,id=0。
从0到t1的电度角为α，叫控制角。从t1到π的电度角为θ，叫导通角，显然α+θ=π。当α=0，θ=180度时，可控硅全导通，与不控整流一样，当α=180度，θ=0度时，可控硅全关断，输出电压为零。
2、各电量关系
ud波形为非正弦波，其平均值（直流电压）：

由上式可见，负载电阻Rd上的直流电压是控制角α的函数，所以改变α的大小就可以控制直流电压Ud的数值，这就是可控整流意义之所在。
流过Rd的直流电流Id：

Ud的有效值（均方根值）：

流过Rd的电流有效值：

由于电源提供的有功功率P=UI，电源视在功率S=U2I（U2是电源电压有效值），所以功率因数：

由上式可见，功率因数cosψ也是α的函数，当α=0时，cosψ=0.707。显然，对于电阻性负载，单相半波可控整流的功率因数也不会是1。
比值Ud/U、I/Id和cosψ随α的变化数值，见表1，它们相应的关系曲线，如图2所示
表1 Ud/U、I/Id和cosψ的关系
α 0° 30° 60° 90° 120° 150° 180°
Ud/UI/Idcosψ 0.451.570.707 0.421.660.698 0.3381.880.635 0.2252.220.508 0.1132.870.302 0.033.990.12 0-0

图2 单相半波可控整流的电压、电流及功率因数与控制角的关系
由于可控硅T与Rd是串联的，所以，流过Rd的有效值电流I与平均值电流Id的比值，也就是流过可控硅T的有效值电流IT与平均值电流IdT的比值，即I/Id=It/IdT。
二、单相桥式半控整流电路
1、工作原理
电路与波形如图3所示

图3、单相桥式半控整流
正半周：
t1时刻加入ug1，T1导通，电流通路如图实线所示。uT1=0,ud=u2,uT2=-u2。u2过零时，T1自行关断。
负半周：
t2时刻加入ug2，T2导通，电流通路如图虚线所示，uT2=0，ud=-u2,ut1=u2。u2过零时T2自行关断。
2、各电量关系
由图3可见，ud波形为非正弦波，其幅值为半波整流的两倍，所以Rd上的直流电压Ud：

直流电流Id：

电压有效值U：

电流有效值I：

功率因数cosψ：

比值Ud/U,I/Id和cosψ随α的变化数值见表2，相应关系曲线见图4
表2 Ud/U、I/Id、cosψ与α的关系表
α 0° 30° 60° 90° 120° 150° 180°
Ud/UI/Idcosψ 0.91.1121 0.841.1790.985 0.6761.3350.896 0.451.5750.717 0.2261.970.426 0.062.8350.169 0-0

图4、单相全波和桥式电路电压、电流及功率因数与控制角的关系
把单相全波整流单相半波整流进行比较可知：
（1）当α相同时，全波的输出直流电压比半波的大一倍。
（2）在α和Id相同时，全波的电流有效值比半波的减小倍。
（3）α相同时，全波的功率因数比半波的提高了倍。