第三章 可控硅整流器(矽控整流器) SCRs(silicon-controlled

1、第三章 可控硅整流器（矽控整流器） SCRs（silicon-controlled rectifier）前言：工業(yè)應(yīng)用中，常要求電源可變且可控，如：照明/馬達(dá)速率控制/電焊機(jī)/電熱器等。變壓器：利用不同的次級線圈得到可變的輸出電壓，但當(dāng)高功率時，變壓器體積龐大/費(fèi)用高/維護(hù)頻繁/數(shù)目眾多。滑線變阻器：接于電源與負(fù)載間，控制電流，同樣當(dāng)高功率時，體積龐大/費(fèi)用高/大量能源耗于電阻。SCR：60年以后，體積小/成本低，不需維護(hù)/耗能少，可控電壓1000V，電流數(shù)百安培。學(xué)習(xí)目標(biāo)：1 解釋SCR控制電阻性負(fù)載的功率控制電路原理2 明確導(dǎo)火延遲角（firing delay angle），傳導(dǎo)角（con

2、duction angle），閘極觸發(fā)電流（gate trigger current），保持電流（hold current），前向?qū)Щ馉顟B(tài)電壓（forward ON-state voltage）等的意義3 可約略算出SCR閘極觸發(fā)電路所需的電阻和電容值4 解釋SCR組成的觸發(fā)導(dǎo)通裝置的動作原理及其優(yōu)點(diǎn)3-1 SCRs的原理與動作（Theory and Operation of SCR）SCR（Silicon Controlled Rectifier）：可控硅整流器，三端元件，用以控制送至負(fù)載的大電流。 SCR的動作與一般的開關(guān)動作類似，當(dāng)其導(dǎo)通時，從陽極到陰極間電流電阻很小，類似開關(guān)閉合，當(dāng)其

3、截止時，無電流在陽極和陰極之間流動，類似開關(guān)開啟。SCR為一固態(tài)（solid-state）元件，開關(guān)動作迅速。當(dāng)SCR和負(fù)載串聯(lián)時，可控制流至負(fù)載的平均電流。若電源為交流電，則SCR在一段時間內(nèi)為導(dǎo)通（ON）狀態(tài)，另一段時間為截止（OFF）狀態(tài)，兩段時間長短由閘極控制。當(dāng)導(dǎo)通時間較短，流入負(fù)載的平均電流就較小（因為流向負(fù)載的電流持續(xù)時間短，平均起來自然?。?，反之，平均電流就較大。因此調(diào)整SCR閘極信號，即可調(diào)整導(dǎo)通時間，從而控制負(fù)載平均電流。SCR，（顧名思義）同時有整流作用，當(dāng)交流電源時，只有正半周SCR才會導(dǎo)通（因為此時，陽極電壓大于陰極電壓），即導(dǎo)通時間不會超過半周期，負(fù)半周，SCR處于

4、負(fù)向偏壓下，不會導(dǎo)通，負(fù)載無電流。3-2 SCR的波形（SCR Waveforms）傳導(dǎo)角（conduction angle）：SCR導(dǎo)通期間（在整個2周期內(nèi)）所占的角度數(shù)。導(dǎo)火延遲角（firing delay angle）：當(dāng)SCR導(dǎo)通前，交流電源所通過的角度。傳導(dǎo)角和導(dǎo)火延遲角之和為180°。SCR導(dǎo)通時，供電電壓完全加到負(fù)載上。例3-1，例3-23-3 SCR的門/閘極特性（SCR Gate Characteristics）在SCR的閘極加一短暫的脈沖電流，SCR就會導(dǎo)火，其閘極電流iG由閘極流經(jīng)閘極和陰極的接面，由陰極流出。記SCR導(dǎo)通所需的閘極電流為IGT，一般IGT為0.

5、150mA。SCR的閘極和陰極間為一典型PN結(jié)，因此若有閘極電流，VGK應(yīng)稍大于0.6V。 一旦SCR導(dǎo)通，就可將閘極電流移去，僅需滿足陽極和陰極間有一定電流，即可維持導(dǎo)通狀態(tài)，此電流稱為保持電流（holding current）IHO，當(dāng)iAK降至保持電流以下，SCR就會截止。通常利用交流電源電壓由正半周向下通過0軸到負(fù)半周時將SCR截止。一般中型功率的SCR，其IHO約為10mA。例3-33-4 典型閘極控制電路（Typical Gate Control Circuits）閘極控制電路（gate control circuits），又稱觸發(fā)電路（triggering circuits）。

6、由圖，SCR的閘極控制電路和負(fù)載所用電源相同，此種接法在SCR中很普遍。設(shè)交流電源，動作原理：1 SW開啟，閘極無電流流過，SCR截止，類似負(fù)載開路。2 SW閉合，正半周，有電流流過閘極。導(dǎo)火延遲角由R2決定，若R2值小，則導(dǎo)火延遲角就?。ㄒ驗镽2小，閘極電流在較小的電壓下就足以導(dǎo)通SCR），流向負(fù)載的平均電流就大。3 R1作用：當(dāng)R2為0時，閘極仍有一定電阻，保護(hù)閘極陰極間PN結(jié)，避免（閘流過大而）被破壞，另外R1決定最小導(dǎo)火延遲角。（有時，在閘極上接一二極管，加強(qiáng)閘極陰極接面的逆向偏壓耐受程度）此簡易觸發(fā)電路的缺點(diǎn)：導(dǎo)火延遲角僅能在0°- 90 °間調(diào)整，同時由于閘極電

7、流與SCR兩端正弦波同相位，所以只有正半周才能觸發(fā)。 （接上圖）電路特點(diǎn)： 1 此種電路，導(dǎo)火延遲角絕不超過90°，2 在90°時，若閘極電流仍小于IGT，則SCR就永不會導(dǎo)通3 閘極電流較大時，較小的角度就能超過IGT，故可較早令SCR導(dǎo)通說明：1 閘極電流是經(jīng)理想化的，即當(dāng)SCR導(dǎo)火（導(dǎo)通）時，陽極陰極間無電位存在（實際上，一般，導(dǎo)通時電壓約為1-2V）2 閘極電壓由SCR的陽極陰極電壓引出，故導(dǎo)通時，SCR閘極電壓為0，關(guān)掉閘極電流3 交流電源負(fù)半周時，閘極電流也不存在4 綜之，閘極電流僅在0°和觸發(fā)導(dǎo)火點(diǎn)（角度）間與電源電壓同向，其他各點(diǎn)均為05 未導(dǎo)通前

8、，VAK波形應(yīng)與電源電壓相同（因為一般此種電路中，負(fù)載電阻在100歐以下，而SCR未導(dǎo)火前的反向偏壓電阻多為數(shù)千歐姆以上，所以壓降主要在SCR兩端）例3-4，例3-5由例可知，SCR效率很高，因其截止時，電流幾乎為0，導(dǎo)通時，壓降很小，所以消耗功率很小，因此SCR的體積/包裝很小，經(jīng)濟(jì)。SCR的直流工作特性若電源改為直流（見圖3-6），SW閉合（選擇合適串接電阻）SCR導(dǎo)通，并一直維持，若關(guān)閉SCR，須將直流電源移去，僅將SW打開無用，因為SCR一旦觸發(fā)即不需閘極電流來維持其導(dǎo)通狀態(tài)。3-5其它門控電路（Other Gate Control Circuits）3-5-1 以電容器充當(dāng)導(dǎo)火延遲元

9、件（Capacitors Used to Delay Firing）改良簡易觸發(fā)電路，接一電容，最大優(yōu)點(diǎn)：可擴(kuò)充調(diào)整導(dǎo)火延遲角（超過90°）。當(dāng)交流電源在負(fù)半周時，對C反向充電，下正上負(fù)，則正半周時，SCR上順向電壓須克服C上負(fù)向電壓，因此C充電的延遲可將導(dǎo)火延遲角延長超過90，RC越大，導(dǎo)火越慢（延遲角越大） 下圖，改良的SCR閘極控制電路，較上圖3-8更大的導(dǎo)火延遲角調(diào)整范圍。（a）多加電阻R3（與二極管），因此C上正電壓須至少超過0.6V才能觸發(fā)SCR，又因R3，C上電壓也須高些，方能有足夠的閘極電流流經(jīng)R3進(jìn)入閘極。 因為C上所需電壓（相對）較高，故可使導(dǎo)火延遲角更被延遲。（

10、b）又加C2，因在C1上已延遲建立的電壓又被用來建立C2上的充電電壓，因此又被延遲一次，故閘極電壓建立可延長得更久些（導(dǎo)火延遲角更長）。一般C在0.01-1微法間。若C值固定，最小導(dǎo)火延遲角由R1和R3決定，最大導(dǎo)火延遲角由R2決定。 一般SCR的制造商都附有關(guān)系曲線，可據(jù)此決定R、C的大小，RC電路的時間常數(shù)約為1-30ms。（如圖9 （R1+R2）C，（R1+R2）C1，R3C2）。由上計算可得近似特性，精確導(dǎo)火角度只能由實際接線及實驗獲得。例3-63-5-2 （于閘極）加一定壓轉(zhuǎn)態(tài)元件（Breakover）以控制閘極（Using a Breakover Device in the Gat

11、e Lead）前述3-6/3-8/3-9均有以下缺點(diǎn)：1 溫度效應(yīng) SCR為固態(tài)元件，（較高溫度環(huán)境中，IGT會變小，）不同溫度，導(dǎo)火角度不同，負(fù)載平均電流也就不同，在工業(yè)控制系統(tǒng)中，不能適用。2 即使同一型號SCR，導(dǎo)火動作卻不一致（組群不穩(wěn)定性） SCR類似晶體管，同一型號電氣特性參數(shù)并不完全相同，尤其是閘極觸發(fā)電流，故引起不同導(dǎo)火特性。 四層二極管（four-layer diode）有一固定轉(zhuǎn)態(tài)電壓（certain breakover voltage），類似開關(guān)，當(dāng)其兩端電壓（C的兩端電壓）未達(dá)轉(zhuǎn)態(tài)電壓時，開啟，兩端電壓升至轉(zhuǎn)態(tài)電壓時，閉合（導(dǎo)火），引入電流肯定（sure）地觸發(fā)SCR。

12、四層二極管的主要優(yōu)點(diǎn)：1 特性與溫度無關(guān)2 同型轉(zhuǎn)態(tài)電壓一致因此，此時SCR的特性不一致被克服，觸發(fā)點(diǎn)由四層二極管決定。類似四層二極管作用的尚有：硅單向開關(guān)SUS（Silicon Unilateral Switch），硅雙向開關(guān)SBS（Silicon Bilateral Switch），雙向二極管（Diac），單結(jié)晶體管UJT（Unijunction transistor），它們的優(yōu)點(diǎn)類似，特性溫度無關(guān)，轉(zhuǎn)態(tài)電壓穩(wěn)定。3-6 將SCR接入負(fù)載方法（Alternative Methods of Connecting SCRs to Loads）3-6-1 單向全波控制（Unidirectiona

13、l Full-Wave Control） 此電路動作和直流電源輸出的全波整流器類似。當(dāng)次級線圈（secondary winding）電壓處于正半周時，線圈上正下負(fù)，SCR導(dǎo)火將負(fù)載接于上半部，當(dāng)次級線圈電壓處于負(fù)半周時，線圈下正上負(fù)，SCR導(dǎo)火將負(fù)載接于下半部，但負(fù)載電流方向與正半周相同，與全波整流直流電源供應(yīng)相同。導(dǎo)火延遲角約為45°。（a）所示為兩個不同的觸發(fā)電路，分別觸發(fā)2個SCR，實際上常使用單一觸發(fā)元件完成雙半周的觸發(fā)工作，這樣，可確保兩個半周具有相同的導(dǎo)火延遲角。3-6-2 雙向全波控制（Bidirectional Full-Wave Control）此圖中SCR1在正半

14、周時導(dǎo)火，而SCR2則于負(fù)半周時導(dǎo)火，流向負(fù)載的電流并非單向，導(dǎo)火角約為120°3-6-3 包括SCR的橋式電路（Bridge Circuits Containing an SCR） （a）圖，當(dāng)電源處于正半周，A/C都是順向偏壓，SCR導(dǎo)火時，電源電壓可供到負(fù)載上，當(dāng)電源處于負(fù)半周，B/D形成順向偏壓，SCR導(dǎo)火時，交流電源電壓也供到負(fù)載上，但電流正相反。（b）圖，負(fù)載和SCR串接接于橋路兩端，故被橋式整流，電流為單一方向。3-7 SCR在直流電路中的應(yīng)用（SCRs in DC Circuits）當(dāng)SCR用于直流電路時，因其供應(yīng)電壓不經(jīng)過零軸點(diǎn)，因此SCR不會自動截止。須用其他方法

15、予以停止，亦即將流經(jīng)陽極陰極間的電流，降到IHO以下。其中，最簡易的方法是將供應(yīng)的直流電源拿掉，但不切實際。利用晶體管開關(guān)，將SCR的陽極陰極，在某一瞬時短路。原理：將一晶體管或開關(guān)接于SCR陽陰極間，須截止時，由觸發(fā)電路供應(yīng)一脈沖予晶體管，令其飽和，于是負(fù)載電流全部經(jīng)晶體管到地，促使SCR陽陰極電流值低于IHO，若飽和時間足夠，SCR就會截止。（中型SCR，此時間約為數(shù)毫秒）。同時，觸發(fā)電路須迅速將晶體管的基極電流移走，使其off，以免電流過久，將晶體管燒毀。因此，觸發(fā)電路負(fù)責(zé)將SCR導(dǎo)通/截止，電路組成較3-5節(jié)電路復(fù)雜。令SCR截止，最可靠的方法使SCR形成反向偏壓。（b）圖中，SCR導(dǎo)火時，電容左負(fù)右正，截止時，先由觸發(fā)電路令晶體管飽和，由于電容無法立即改變兩端電壓狀態(tài)（需要放電時間），故瞬時使SCR和電容形成并聯(lián)，電容的負(fù)壓使SCR逆向偏壓，截止。例3-7總結(jié)：1 SCR如同快速開關(guān)（fast-acting switch），可用來控制串聯(lián)電路負(fù)載的開/關(guān)2 被控負(fù)載的平均直流電流（與功率）可由控制SCR開啟的時間點(diǎn)位置決定3 SCR由其閘極電流（iG）導(dǎo)通，該電流須大于某一額定值，稱為閘極導(dǎo)通電流IGT（gate-trigger current）4 SCR只有在其主端點(diǎn)為正偏（陽極A為正