首页 > 新闻资讯 > 新闻详情
新闻详情

可控硅SCR开启(触发)方法及常见触发电路介绍

613 2022-05-31 来源: IC先生 作者: IC先生

可控硅SCR是晶闸管家族的重要成员,是一种四层三结三端的半导体器件,它由四个交替的p型和n型半导体材料层组成。

SCR外部“p”区域连接到阳极 (A),外部“n”区域连接到阴极 (K),内部“p”区域连接到称为门 (G) 的第三个终端,下图显示了典型SCR的结构和符号。

SCR的结构和符号

SCR本质上是一个开关。与晶体管不同,晶体管既可以用作开关,也可以用作放大器,可控硅只是一个可以打开或关闭的开关。可控硅有两种稳定状态,即正向阻塞状态和正向传导状态,虽然还有其它状态,但这两个很重要,因此这里只关注这两个状态。

将可控硅从正向阻断状态(OFF-状态)切换到正向导通状态(ON-状态)称为可控硅的开启过程,也被称为触发。触发SCR的标准取决于几个变量,如电源电压、栅极电流、温度等。有多种方法可以触发 SCR,使其进入ON 状态,下面一起来看看。

SCR状态

SCR开启方法(SCR触发)

以上面带有SCR结构的图像作为参考。如果阳极(外部“p”区域)相对于阴极(外部“n”区域)为正,则结J 1和J 3变为正向偏置,但结J 变为反向偏置。结果,除了少量的漏电流外,没有电流流过器件。因此,即使SCR正向偏置,仍然没有电流流动,因此,这种状态称为正向阻塞状态(OFF状态)。

注意:还有另一种称为反向阻塞状态的状态,其中SCR是反向偏置的。这种状态下的特性与普通二极管相似。现在主要介绍如何通过“打开 SCR”将SCR从正向阻断状态转变为正向传导状态。可以通过以下任何一种方法使SCR导通或从阻塞(非导通或 OFF)状态切换到导通(ON)状态。

  • 正向电压触发
  • 温度触发
  • dv/dt触发
  • 光触发
  • 栅极触发

1、正向电压触发

在正向电压触发方法中,可控硅正向偏置,即阳极比阴极更正,但该电压显着增加。栅极端子保持打开。

随着电压的增加,结J 2的耗尽层宽度增加,这反过来又增加了该结处少数载流子的加速电压。在特定电压下,由于少数电荷载流子与原子碰撞并释放更多的少数电荷载流子,在内结J 2处将发生雪崩击穿。该电压称为正向击穿电压V BO。在此电压下,结J 2变为正向偏置,并且SCR变为导通状态。大电流流过SCR(从阳极到阴极,受负载电阻限制),其两端的电压降非常低。

在开启状态期间,SCR上的正向电压降在1到1.5伏的范围内,并且可能会随着负载电流的增加而增加。

当然,在实际在实践中,不采用这种方法,因为它需要非常大的阳极到阴极电压。而且一旦电压超过V BO,可控硅导通,瞬间流过非常大的电流,有可能损坏可控硅。因此,大多数情况下都避免了这种类型的触发。

2、温度触发

这种类型的触发也称为热触发,因为SCR通过加热来转动,反向漏电流取决于温度。如果温度升高到一定值,空穴对的数量也会增加。这会导致泄漏电流增加,并进一步增加SCR的电流增益。由于 (α1 + α2) 值趋于一致(随着电流增益的增加),这将启动 SCR 内部的再生动作。

通过增加结J 2处的温度,耗尽层的宽度减小。因此,当正向偏置电压接近V BO时,可以通过提高结温 (J 2 )来开启SCR 。在特定温度下,结的反向偏压会击穿器件开始导通。这种触发发生在某些情况下,特别是当设备温度更高时(也称为误触发),所以这类触发实际上不被采用,因为它会导致热失控,可能会损坏设备或SCR。

3、dv/dt触发

在正向阻断状态,即阳极比阴极更正,结J 1和J 3正向偏置,而结J 2反向偏置。因此,由于耗尽区中的空间电荷,结 J 2表现为电容器(J 1和J 3为具有电介质J 2的导电板)。

电容器的充电电流为: I C = dQ / dt = d(C j v) / dt 

使用微分法则,可以得到:= C j dv / dt + v dC j / dt 

由于结电容几乎总是恒定的,所以可以忽略结电容的变化率dC j / dt。因此,最终的充电电流为:

I C = C j dv/dt 

其中,I C是充电电流,C j是结电容,Q是电荷,v是施加在器件上的电压,dC j / dt是结电容的变化率,dv / dt是施加电压的变化率。

由上式可知,如果外加电压的变化率较大(即突然外加),则充电电流的流动会增加,从而导致可控硅在没有任何栅极电压的情况下导通。

很明显,可以通过增加器件两端的电压变化率而不是施加一个大的正向偏置电压来打开SCR。然而,实际上也避免了这种方法,因为它会导致错误的开启过程,而且这会在SCR上产生非常高的电压尖峰,因此会对SCR造成相当大的损害。

4、光触发

由光辐射开启的SCR也称为光激活 SCR (LASCR)。因此,光触发也称为辐射触发。通常,这种类型的触发用于HVDC输电系统中的相控转换器。

在该方法中,允许具有适当波长和强度的光线照射结J 2。来自光的轰击能量粒子(中子或光子)导致电子键断裂,结果在器件中形成新的电子-空穴对。随着电荷载流子数量的增加,电流瞬时增加,导致SCR 开启。

注意:为了在光辐射的帮助下成功打开SCR,施加电压的变化率 (dv / dt) 必须很高。

光触发

5、栅极触发

这是开启SCR的最常见和最有效的方法。当SCR正向偏置时,栅极端子处的足够正电压将一些电子注入到结J 2中。这导致反向漏电流增加,因此即使在低于V BO的电压下也会发生结J 2的击穿。

根据SCR的大小,栅极电流从几毫安到250毫安或更多。如果施加的栅极电流更大,则更多的电子被注入结J 2并导致在低得多的施加电压下进入导通状态。在栅极触发方法中,在栅极和阴极端子之间施加正电压,可以使用三种类型的栅极信号来打开SCR,分别是直流信号、交流信号和脉冲信号。

直流栅极触发

在此触发中,在栅极和阴极端子之间施加足够的直流电压,以使栅极相对于阴极为正。栅极电流驱动SCR进入导通模式。

在这种方法中,连续的栅极信号(直流电压)被施加在栅极上,因此会导致内部功率耗散(或更多功率损耗)。不过缺点是,电源和控制电路之间没有隔离(因为它们都是直流电)。

交流栅极触发

这是开启SCR最常用的方法,尤其是在交流应用中。通过电源和控制电路之间的适当隔离(使用变压器),可控硅由来自主电源的相移交流电压触发。通过改变门信号的相位角来控制触发角。

交流栅极触发

不过,只有半个周期可用于栅极驱动来控制触发角,而在下半个周期中,在栅极和阴极之间施加反向电压。这是交流触发的限制之一,另一个是需要单独的降压或脉冲变压器来从主电源向栅极驱动器提供电压。

脉冲触发

触发SCR最流行的方法是脉冲触发。在这种方法中,栅极被提供单个脉冲或一系列高频脉冲。

这种方法的主要优点是栅极驱动是不连续的,或者不需要连续脉冲来开启SCR,因此通过施加单个或周期性出现的脉冲可以更大程度地减少栅极损耗。为了将栅极驱动与主电源隔离,使用了脉冲变压器。

可控硅SCR动态开启开关特性

可控硅的动态过程是可控硅的电压和电流都随时间变化的开通和关断过程,即从一种状态到另一种状态的转变需要有限的时间,但不会立即发生。

SCR的静态或VI特性没有说明SCR从正向阻断模式切换到正向传导模式的速度。因此,动态特性有时更重要,因为给出了SCR的开关特性。

SCR从阻断模式到达正向传导模式需要一段有限的转换时间,称为SCR的开启时间 (t ON )。可控硅t ON开启时间可以细分为三个不同的时间间隔,即延迟时间t d、上升时间t r和扩展时间t s。

1、延迟时间 (t d )

延迟时间是从栅极电流达到其最终值的90%的瞬间到阳极电流达到其最终值的10%的瞬间测量的。它也可以定义为阳极电压从初始阳极电压值V a下降到0.9 V a所需的时间。

2、上升时间 (t r )

这是阳极电流从其最终值的10%上升到 90%所需的时间。也定义为正向阻断电压从0.9 V a下降到 0.1 V a所需的时间。该上升时间与栅极电流及其建立速度成反比。

因此,如果在栅极处施加高而陡峭的电流脉冲,则可以显着减少上升时间t r。此外,如果负载是电感性的,则上升时间会更长,而对于电阻性和电容性负载,上升时间会很短。在此期间,由于大阳极电流和高阳极电压,SCR中的导通损耗很高。这可能导致局部热点的形成,因此可能会损坏SCR。

3、传播时间 (t s )

这是正向阻断电压从0.1 V a下降到其导通状态电压降(范围为1至1.5 伏)所需的时间。在此期间,阳极电流从一个狭窄的导电区域扩散到SCR的整个导电区域。在扩展时间之后,完整的阳极电流流过器件,导通电压降很小。

因此,总导通时间t ON为:

t ON = t r + t d + t s 

一般情况下,导通时间的典型值约为1到4微秒,具体取决于栅极信号的波形和阳极电路参数。为了减少SCR的开启时间,栅极脉冲的幅度应该是SCR最小栅极电流的3到5倍。

可控硅SCR触发电路

在各种触发SCR的方法中,栅极触发是最有效和最可靠的方法,大多数控制应用都使用这种类型的触发,因为通过门触发方法可以实现所需的SCR转动瞬间。下面简单介绍下SCR各种触发电路。

1、电阻触发电路

  • 下图显示了SCR的电阻触发电路,它用于从输入交流电源驱动负载。电阻和二极管组合电路充当栅极控制电路,以在所需条件下切换SCR。
  • 当施加正电压时,SCR正向偏置,直到其栅极电流大于SCR的最小栅极电流时才会导通。
  • 当通过改变电阻R2施加栅极电流以使栅极电流应大于栅极电流的最小值时,SCR导通,因此负载电流开始流过SCR。
  • SCR保持开启状态,直到阳极电流等于SCR的保持电流。当施加的电压为零时,它将关闭。因此,当SCR充当开路开关时,负载电流为零。
  • 二极管在输入的负半周期间保护栅极驱动电路免受反向栅极电压的影响。电阻R1限制流过栅极端子的电流,其值使得栅极电流不应超过最大栅极电流。
  • 它是最简单、最经济的触发类型,但由于其缺点而仅限于少数应用。
  • 在这种情况下,触发角度仅限于90°,因为施加的电压在 90°时最大,所以栅极电流必须达到介于0到90°之间的最小栅极电流值。

电阻触发电路

2、电阻 - 电容 (RC) 触发电路

  • RC触发电路可以克服电阻触发电路的限制,该电路提供0到180°的触发角控制。通过改变栅极电流的相位和幅度,使用该电路可以获得较大的触发角变化。
  • 下图显示了RC触发电路,该电路由两个二极管组成,其中一个 RC网络连接以打开SCR。
  • 通过改变可变电阻,触发或触发角在输入信号的整个正半周期内得到控制。
  • 在输入信号的负半周期间,电容器通过二极管D2与下极板正极一起充电,直至达到最大电源电压Vmax。该电压在电容器两端保持在-Vmax,直到电源电压达到过零。
  • 在输入的正半周期内,SCR变为正向偏置,电容器开始通过可变电阻充电至 SCR 的触发电压值。
  • 当电容充电电压等于栅极触发电压时,可控硅导通,电容保持小电压。因此,即使在输入波形经过90°之后,电容电压也有助于触发SCR。
  • 在这种情况下,二极管D1在通过二极管D2的输入的负半周期期间防止栅极和阴极之间的负电压。

电阻 - 电容 (RC) 触发电路

3、UJT点火电路

这是触发SCR的最常用方法,因为使用R和RC触发方法在栅极处的延长脉冲会导致栅极处的更多功率耗散,因此使用UJT(Uni Junction Transistor)作为触发器件可以限制功率损耗,因为它会产生一串脉冲。

RC网络连接到构成定时电路的UJT的发射极端子。由于电容器是固定的,而电阻是可变的,因此电容器的充电速率取决于可变电阻,这意味着控制RC时间常数。

当施加电压时,电容器开始通过可变电阻充电。通过改变电容器两端的电阻值电压得到改变。一旦电容电压等于UJT的峰值,它就开始导通并因此产生一个脉冲输出,直到电容两端的电压等于UJT的谷电压 Vv。该过程重复并在基本终端1处产生一系列脉冲。

基极端子1的脉冲输出用于以预定的时间间隔打开SCR。

UJT点火电路

总结

以上就是不同类型SCR开启方法简单介绍,主要是关于SCR、SCR开启方法的一些基本知识,例如正向电压触发、温度触发、dv/dt触发、光触发、栅极触发(及其类型),当然还有一些流行的可控硅触发电路。其实,可控硅SCR在电路应用中很广泛,而了解可控硅SCR的开启方法就显得格外重要。

版权声明: 部分文章信息来源于网络以及网友投稿,本网站只负责对文章进行整理、排版、编辑,是出于传递更多信息之目的,并不意味着赞同其观点或证实其内容的真实性,如本站文章和转稿涉及版权等问题,请作者及时联系本站,我们会尽快处理。
标题:

可控硅SCR开启(触发)方法及常见触发电路介绍


网址: https://www.mrchip.cn/newsDetail/478
文章标签: 晶闸管
推荐商品
型号:GRM216R71H102KA01D
库存:20000
价格:¥ 0.02627
型号:RC0603JR-07200RL
库存:5000
价格:¥ 0.00407
型号:RC0603FR-07390RL
库存:5000
价格:¥ 0.00458
型号:0805B102K500NT
库存:20000
价格:¥ 0.01825
型号:TLP3475R(TP,F
库存:0
价格:¥ 14.64602
热点资讯
0 购物车
0 消息