1.3 SCR 可控硅整流器

在本教程中，我们将学习硅控整流器（SCR）。我们将学习它的符号、结构、工作原理、导通和关断方法以及一些应用。

硅控整流器（SCR）是晶闸管家族中最重要的成员，也是使用最广泛的成员。SCR可用于多种应用，如整流、功率调节和逆变等。与二极管类似，SCR是一种单向器件，允许电流在一个方向上流动，而在另一个方向上阻止电流流动。

SCR是一种三端器件，分别是阳极、阴极和门极，如图所示。SCR具有内置功能，可以导通或关断，其开关操作由偏置条件和门极输入端控制。

这使得通过改变SCR的导通周期来调节负载上的平均功率成为可能。它能够处理数千伏的电压和数千安的电流。SCR的符号及其端子如图所示。

硅控整流器的结构

SCR是一种四层、三端器件。SCR由四层交替的P型和N型材料组成，形成三个结：J1、J2和J3。这些结根据不同的制造工艺可以是合金型或扩散型。

外层（P型和N型层）掺杂浓度较高，而中间的P型和N型层掺杂浓度较低。门极从中间的P型层引出，阳极从外层的P型层引出，阴极从N型层引出。由于硅的漏电流比锗小得多，因此SCR由硅制成。

制造SCR时，通常采用三种类型的结构，分别是平面型、台面型和压装型。对于低功率SCR，采用平面型结构，其中所有结都是通过扩散工艺形成的。在台面型结构中，J2结是通过扩散工艺形成的，而外层则是通过合金工艺形成的。

这种结构主要用于高功率硅控整流器。为了提供高机械强度，SCR通过钼或钨制成的金属板进行加固。其中一块金属板焊接在铜柱上，铜柱进一步加工成螺纹以连接散热器。

SCR的工作原理或工作模式

根据施加到SCR的偏置条件，SCR的工作模式分为三种：

• 正向阻断模式
• 正向导通模式
• 反向阻断模式

正向阻断模式

在这种工作模式下，硅控整流器连接的方式是阳极相对于阴极为正，而门极保持开路。在这种状态下，J1和J3结正向偏置，而J2结反向偏置。

由于这种偏置方式，SCR中会流过少量的漏电流。然而，SCR在电压超过其转折电压之前，对电流流动保持很高的电阻。因此，在这种模式下，SCR表现为一个断开的开关，阻断了通过SCR的正向电流，如SCR的伏安特性曲线所示。

正向导通模式

在这种模式下，SCR（或晶闸管）从阻断状态转换为导通模式。这可以通过两种方式实现：一是向门极施加正脉冲；二是将正向电压（或阳极和阴极之间的电压）提高到超过SCR的转折电压。

一旦采用上述任何一种方法，J2结就会发生雪崩击穿。因此，SCR进入导通模式，表现为一个闭合的开关，电流开始通过它流动。

请注意，在伏安特性图中，如果门极电流值较高，则进入导通模式的时间将更短，因为$I_{g3} > I_{g2} > I_{g1}$。在这种模式下，通过SCR的电流最大，其值取决于负载电阻或阻抗。

还应注意，如果增加门极电流，则所需的导通电压会更低，如果采用门极偏置。SCR从阻断模式切换到导通模式的电流称为锁定电流（$I_L$）。

当正向电流达到使SCR返回到阻断状态的水平时，这个电流称为维持电流（$I_H$）。在维持电流水平下，耗尽区开始在J2结周围形成。因此，维持电流略小于锁定电流。

反向阻断模式

在这种工作模式下，阴极相对于阳极为正。此时，J1和J3结反向偏置，而J2结正向偏置。这种反向电压将SCR驱动到反向阻断区域，导致少量漏电流通过它流动，并表现为一个断开的开关，如图所示。

因此，只要施加的电压低于SCR的反向击穿电压$V_{BR}$，该器件在这种模式下就会表现出高阻抗。如果反向施加的电压超过$V_{BR}$，则J1和J3结会发生雪崩击穿，导致通过SCR的反向电流增加。

这种反向电流会在SCR中造成更多损耗，并使其发热增加。因此，当反向电压超过$V_{BR}$时，SCR会受到相当大的损坏。

SCR的双晶体管模型

SCR的双晶体管模型或双晶体管类比是理解SCR工作原理的最简单方法，通过将其视为两个晶体管的组合来实现，如图所示。每个晶体管的集电极连接到另一个晶体管的基极。

假设负载电阻连接在阳极和阴极之间，并且在门极和阴极之间施加一个小电压。当没有门极电压时，由于基极电流为零，晶体管2处于截止模式。因此，没有电流通过集电极，也没有电流通过晶体管T1的基极。因此，两个晶体管都处于开路状态，没有电流通过负载。

当在门极和阴极之间施加特定电压时，一个小的基极电流通过晶体管2的基极，从而集电极电流增加。因此，晶体管T1的基极电流将晶体管驱动到饱和模式，从而使负载电流从阳极流向阴极。

从上图可以看出，晶体管T2的基极电流成为晶体管T1的集电极电流，反之亦然。

因此

$I_{b2} = I_{c1} \quad \text{和} \quad I_{c2} = I_{b1}$

另外，通过阴极的电流为

$I_k = I_g + I_a \quad \text{(1)}$

对于一个晶体管，

$I_{b1} = I_{e1} - I_{c1} \quad \text{(2)}$ $I_{c1} = \alpha_1 I_{e1} + I_{co1} \quad \text{(3)}$

其中$I_{co1}$是漏电流。

将方程(3)代入方程(2)得

$I_{b1} = I_{e1}(1 - \alpha_1) - I_{co1} \quad \text{(4)}$

从图中可以看出，阳极电流是晶体管T1的发射极电流，

$I_a = I_{e1}$

因此

$I_{b1} = I_a(1 - \alpha_1) - I_{co1}$

对于晶体管T2，

$I_{c2} = \alpha_2 I_{e2} + I_{co2}$

但

$I_k = I_{e2}$

因此

$I_{c2} = \alpha_2 I_k + I_{co2}$ $I_{c2} = \alpha_2(I_g + I_a) + I_{co2} \quad \text{(5)}$

但

$I_{b1} = I_{c2} \quad \text{(6)}$

将方程(4)和(5)代入方程(6)得

$I_a(1 - \alpha_1) - I_{co1} = \alpha_2(I_g + I_a) + I_{co2}$ $I_a = \frac{\alpha_2 I_g + I_{co1} + I_{co2}}{1 - (\alpha_1 + \alpha_2)}$

假设两个晶体管的漏电流可以忽略不计，我们得到

$I_a = \frac{\alpha_2 I_g}{1 - (\alpha_1 + \alpha_2)}$

其中$\alpha_1$和$\alpha_2$分别是两个晶体管的增益。

SCR的导通方法

从上述方程可以看出，如果$\alpha_1 + \alpha_2$等于1，则$I_a$变为无穷大。这意味着阳极电流突然上升到一个高值，并从非导通状态切换到导通状态。这被称为SCR的再生作用。因此，为了触发SCR，门极电流值$\alpha_1 + \alpha_2$必须接近1。从得到的方程可以看出，使SCR导通的条件是：

1. 当器件温度过高时，通过SCR的漏电流会增加。这会使SCR进入导通状态。
2. 当通过器件的电流非常小时，$\alpha_1$和$\alpha_2$也非常小。转折电压的条件是电子倍增因子