[ 技术浅谈 TechTalk ]可控硅工作解析

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技术浅谈

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作者：Littelfuse客户经理Rambo Liu

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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，从弱电到强调，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。