可控硅工作解析

可控硅又叫晶閘管，和其它半導(dǎo)體器件一樣，具有體積小、效率高、穩(wěn)定性好、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。可控硅作為非常成熟的半導(dǎo)體器件，從弱電到強(qiáng)調(diào)，消費(fèi)電子到工業(yè)等都得到廣泛應(yīng)用，可以作為整流、無觸點(diǎn)電路開關(guān)以及逆變應(yīng)用等，本章重點(diǎn)對(duì)于其結(jié)構(gòu)以及等效電路展開分析，有助于讀者加深對(duì)于可控硅產(chǎn)品的了解與認(rèn)知。

可控硅從電氣符號(hào)上相比于二極管多了一個(gè)門極引腳，從功能上來說都屬于整流器，可控硅通過門極的控制可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通角的調(diào)整。四層PN結(jié)的結(jié)合，可以拆成PNP三極管與NPN三極管復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中PNP的基極與NPN集電極連接，PNP集電極與NPN基極連接，構(gòu)成了自鎖回路。

當(dāng)門極有足夠驅(qū)動(dòng)信號(hào)給到時(shí)，下管NPN導(dǎo)通工作，上管PNP門極通過下管NPN集電極給到的驅(qū)動(dòng)電流，使得上官PNP也導(dǎo)通，通過互鎖電路的正反饋，使得兩個(gè)三極管進(jìn)入飽和導(dǎo)通模式，此時(shí)已經(jīng)無需外部繼續(xù)提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。從工作原理上來看，可控硅屬于半控型器件，只可控制其開通，關(guān)斷條件為主回路中電流過零時(shí)。

可控硅分單向可控硅和雙向可控硅兩種。雙向可控硅也叫三端雙向可控硅，簡(jiǎn)稱TRIAC。雙向可控硅在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于兩個(gè)單向可控硅反向連接，這種可控硅具有雙向?qū)üδ堋Ｆ渫〝酄顟B(tài)由門極決定，在門極上加正脈沖（或負(fù)脈沖）可使其正向（或反向）導(dǎo)通。下圖為正向與反向可控硅以及兩者結(jié)合起來的雙向可控硅。

從結(jié)構(gòu)上可以看到雙向可控硅PN結(jié)的結(jié)合方式要復(fù)雜很多，不管是陰極、陽極還是門極，其中都是由PN兩個(gè)結(jié)同時(shí)構(gòu)成，下面對(duì)于其工作象限展開解析，就能更容易理解其工作機(jī)理。

第一象限

門極與MT1兩端施加正驅(qū)動(dòng)信號(hào)，門極的P結(jié)與MT1的N結(jié)構(gòu)成導(dǎo)通路徑，此時(shí)在MT2與MT1兩端施加正向電壓，即Vmt2-mt1>0，相應(yīng)的MT2 P結(jié)介入導(dǎo)通，因此構(gòu)成了自上而下的PNN與NPN結(jié)構(gòu)與電流路徑，因此工作在第一象限，驅(qū)動(dòng)電壓與主回路工作電壓同為正。

第二象限

門極與MT1兩端施加負(fù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，主電路當(dāng)中Vmt2-mt1為正，等效電路如下圖，可見此時(shí)左側(cè)NPN1電壓Vmt1-g為正壓，此時(shí)左側(cè)NPN1三極管導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)的上管PNP基極得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)從而導(dǎo)通，繼而NPN2基極得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)導(dǎo)通，此時(shí)去掉門極信號(hào)，上管PNP與下管NPN2已經(jīng)構(gòu)成正反饋?zhàn)枣i電路，第二象限工作電壓為負(fù)，驅(qū)動(dòng)電壓為正。

第三象限

門極與MT1繼續(xù)施加負(fù)壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)，主電路Vmt2-mt1為負(fù)，等效電路圖如下，此時(shí)NPN1因?yàn)轵?qū)動(dòng)負(fù)壓的存在而開始導(dǎo)通工作，NPN2基極與NPN1基極相通，因此NPN2有了驅(qū)動(dòng)信號(hào)而導(dǎo)通，PNP基極在NPN2導(dǎo)通之后有了驅(qū)動(dòng)電流導(dǎo)通，拉動(dòng)NPN3導(dǎo)通，之后構(gòu)成正反饋?zhàn)枣i電路。此時(shí)工作在第三象限，工作電壓與驅(qū)動(dòng)電壓同時(shí)為負(fù)。

第四象限

門極與MT1施加正壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)，主電路Vmt2-mt1為負(fù)，等效電路圖如下，其中NPN1在門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)加持下導(dǎo)通，NPN2基極與NPN1共用，因此NPN2導(dǎo)通，給PNP基極帶來驅(qū)動(dòng)電流，同樣的NPN3導(dǎo)通，從而構(gòu)成正反饋?zhàn)枣i電路，此時(shí)的門極電壓為正，主電路工作電壓為負(fù)。

常用的雙向可控硅有兩種類型，標(biāo)準(zhǔn)的四象限、優(yōu)化型型的三象限，三象限可控硅是通過在MT2端發(fā)射極做了特殊處理，防止其在第四象限導(dǎo)通，提高了換流能力，對(duì)于變化較大的負(fù)載，尤其是感性負(fù)載具有較大的dv/dt變化，容易引起可控硅的誤導(dǎo)通，因此三象限可控硅增強(qiáng)了抗噪性，減少對(duì)保護(hù)電路的要求，以及提高防誤觸發(fā)能力。

可控硅變形：Sidactor，也叫固體放電管，是一種不需要觸發(fā)引腳就能工作的可控硅。

可控硅常用的觸發(fā)方式為門極觸發(fā)，但還有一些不被人所熟知的觸發(fā)方式，比如：高dv/dt，溫度觸發(fā)，光觸發(fā)等，固體放電管就是利用可控硅的特性，在觸發(fā)方式做了優(yōu)化，因此去除了對(duì)于門極引腳的需求，結(jié)構(gòu)如下，在工作電壓超過擊穿電壓時(shí)，固體放電管導(dǎo)通，工作特性跟雷擊常用的氣體放電管類似，作為半導(dǎo)體產(chǎn)品，其具有響應(yīng)速度快、漏電流小、無壽命衰減以及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，常用于通信端口的浪涌保護(hù)，以及與壓敏電阻搭配作為電源輸入端的雷擊保護(hù)，可以有效降低殘壓，對(duì)于功率器件有更好的保護(hù)效果。