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    可控硅工作解析

    發布時間:2023-04-25 來源:Littelfuse 責任編輯:wenwei

    【導讀】可控硅又叫晶閘管,和其它半導體器件一樣,具有體積小、效率高、穩定性好、工作可靠等優點。可控硅作為非常成熟的半導體器件,從弱電到強調,消費電子到工業等都得到廣泛應用,可以作為整流、無觸點電路開關以及逆變應用等,本章重點對于其結構以及等效電路展開分析,有助于讀者加深對于可控硅產品的了解與認知。


    可控硅從電氣符號上相比于二極管多了一個門極引腳,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現導通角的調整。四層PN結的結合,可以拆成PNP三極管與NPN三極管復合結構,其中PNP的基極與NPN集電極連接,PNP集電極與NPN基極連接,構成了自鎖回路。


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    當門極有足夠驅動信號給到時,下管NPN導通工作,上管PNP門極通過下管NPN集電極給到的驅動電流,使得上官PNP也導通,通過互鎖電路的正反饋,使得兩個三極管進入飽和導通模式,此時已經無需外部繼續提供驅動信號。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,關斷條件為主回路中電流過零時。


    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,簡稱TRIAC。雙向可控硅在結構上相當于兩個單向可控硅反向連接,這種可控硅具有雙向導通功能。其通斷狀態由門極決定,在門極上加正脈沖(或負脈沖)可使其正向(或反向)導通。下圖為正向與反向可控硅以及兩者結合起來的雙向可控硅。


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    從結構上可以看到雙向可控硅PN結的結合方式要復雜很多,不管是陰極、陽極還是門極,其中都是由PN兩個結同時構成,下面對于其工作象限展開解析,就能更容易理解其工作機理。


    第一象限


    門極與MT1兩端施加正驅動信號,門極的P結與MT1的N結構成導通路徑,此時在MT2與MT1兩端施加正向電壓,即Vmt2-mt1>0,相應的MT2 P結介入導通,因此構成了自上而下的PNN與NPN結構與電流路徑,因此工作在第一象限,驅動電壓與主回路工作電壓同為正。


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    第二象限


    門極與MT1兩端施加負驅動信號,主電路當中Vmt2-mt1為正,等效電路如下圖,可見此時左側NPN1電壓Vmt1-g為正壓,此時左側NPN1三極管導通,對應的上管PNP基極得到驅動信號從而導通,繼而NPN2基極得到驅動信號導通,此時去掉門極信號,上管PNP與下管NPN2已經構成正反饋自鎖電路,第二象限工作電壓為負,驅動電壓為正。


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    第三象限


    門極與MT1繼續施加負壓驅動信號,主電路Vmt2-mt1為負,等效電路圖如下,此時NPN1因為驅動負壓的存在而開始導通工作,NPN2基極與NPN1基極相通,因此NPN2有了驅動信號而導通,PNP基極在NPN2導通之后有了驅動電流導通,拉動NPN3導通,之后構成正反饋自鎖電路。此時工作在第三象限,工作電壓與驅動電壓同時為負。


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    第四象限


    門極與MT1施加正壓驅動信號,主電路Vmt2-mt1為負,等效電路圖如下,其中NPN1在門極驅動信號加持下導通,NPN2基極與NPN1共用,因此NPN2導通,給PNP基極帶來驅動電流,同樣的NPN3導通,從而構成正反饋自鎖電路,此時的門極電壓為正,主電路工作電壓為負。


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    常用的雙向可控硅有兩種類型,標準的四象限、優化型型的三象限,三象限可控硅是通過在MT2端發射極做了特殊處理,防止其在第四象限導通,提高了換流能力,對于變化較大的負載,尤其是感性負載具有較大的dv/dt變化,容易引起可控硅的誤導通,因此三象限可控硅增強了抗噪性,減少對保護電路的要求,以及提高防誤觸發能力。


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


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


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