在设计可控硅(SCR)触发电路时,可控硅(SCR)整个区域的运行很大程度上取决于其触发方式。

在进行电路设计时,需要特别注意确保没有误触发,同时确保晶闸管在需要时触发

在可控硅(SCR)触发中,包括栅极驱动要求(如果使用栅极触发)、触发时间(需要保持所施加的触发激励时间以使电路锁存)等各个方面都很重要,各种参数的重要性取决于所使用的可控硅( SCR )触发形式。

可控硅(SCR)触发方法总结

可控硅的触发主要取决于温度、供电电压、栅极电流等不同的变量。当向可控硅施加电压时,如果阳极端可以与阴极相关+ve,则可控硅变成转发偏向。因此该晶闸管进入正向阻断状态。

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可控硅电路

以下就是常见的可控硅触发方法,接下来会对每个可控硅触发原理进行详细讲解。

  • 门触发
  • dv/dt 触发
  • 温度触发(热触发)
  • 光触发
  • 正向电压触发
  • 直流栅极触发
  • 交流栅极触发
  • 脉冲触发
  • 阻力触发
  • RC 触发

门触发

这种形式的可控硅(SCR)触发是在使用的不同电路中最常见的一种。

对于大多数应用来说,它简单、可靠、高效且易于实施,可以应用简单的触发信号,并在需要时进行适当的处理。这意味着可以使用其他电子电路来获得合适的触发信号,然后将其应用于可控硅(SCR)。

对于要使用的栅极可控硅(SCR)触发,可控硅(SCR)必须在其击穿电压以下运行,并且还允许适当的安全裕度以适应可能发生的任何瞬变,否则可能会发生正向电压或击穿触发。

开启可控硅(SCR),栅极和阴极之间的正栅极电压,会产生栅极电流,其中电荷被注入器件的内部 p 层,这有效地降低了发生正向击穿的电压。

可以看出,栅极电流决定了可控硅切换到其导通状态的正向电压。栅极电流越高,正向击穿电压越低。有许多应用触发信号的简单方法,最简单的安排之一如下图所示。

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显示附加栅极电阻的晶闸管电路

可以看出有两个电阻。第一个是 R1,它用于将栅极电流限制在可接受的水平。选择该电阻以提供足够的电流来触发可控硅(SCR),同时将其保持在设备的安全范围内,它可以使用设备额定值和欧姆定律轻松计算。

第二个电阻 R2 是栅极阴极电阻,有时也表示为 RGK,包含它是为了防止虚假触发

电阻的作用可以从可控硅(SCR) 的两个晶体管类比中看出,它表明栅极和阴极之间的低外部电阻绕过了栅极结周围的一些电流,因此,需要更高的阳极电流来启动和保持导通

特别发现,低电流高灵敏度可控硅(SCR)在非常低的电流水平下触发,因此需要外部栅极 - 阴极电阻来防止栅极区域中热产生的泄漏电流触发。然而,栅极阴极电阻绕过了由阳极电压 (dv/dt) 的快速变化率引起的一些内部阳极电流。

它还通过降低 NPN 晶体管区域的效率来提高正向击穿电压,因此需要更高的雪崩倍增效应来启动触发,绕过栅极结的电流也会影响锁存电流和保持电流。由此可见,使用栅极阴极旁路电阻的效果包括


    • 增加 dv/dt 能力
    • 保留栅极阻尼以确保最大重复峰值断态电压 VDRM 能力
    • 提高锁存和保持电流水平
    • 降低关断时间,tq

尽管上面所示的简单电路足以满足许多需要更可控的触发机制的应用,但需要考虑触发前、触发期间和触发后的门特性。这是必需的,因为可控硅(SCR)内的电流变化会导致栅极特性发生变化。


直流门触发
  • 在栅极和阴极之间施加适当极性的直流电压(栅极端子相对于阴极为正极)。
  • 当施加的电压足以产生所需的栅极电流时,晶闸管开始导通。
  • 这种方案的一个缺点是电源和控制电路都是直流的,两者之间没有隔离。
  • 另一个缺点是必须施加连续的直流信号,所以栅极功率损耗很高。

dv/dt 触发

如果阳极到阴极电压的上升速率超过特定设备的特定限制,也可以在没有任何栅极电流的情况下发生 可控硅(SCR)触发。

如果阳极到阴极电压的上升速率很高,则通过电容结的充电电流足够高,可以打开晶闸管。高值的充电电流可能会损坏晶闸管,因此必须保护设备免受高 dv/dt 的影响。

在正向阻断状态,即阳极比阴极更正,结J 1和J 3正向偏置,而结J 2反向偏置。因此,由于耗尽区中的空间电荷,结 J 2表现为电容(J 1和 J 3为具有电介质 J 2的导电板)。

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电容的充电电流为:IC = dQ / dt= d(C j v) / dt

使用微分法则,我们得到 = C j dv / dt + v dC j / dt

由于结电容几乎总是恒定的,我们可以忽略结电容的变化率 dC j / dt。因此,最终的充电电流为:

I C = C j dv/dt

  • I C:充电电流
  • C j :结电容
  • Q:电荷
  • v: 施加在器件上的电压
  • dC j / dt :结电容的变化率
  • dv / dt :施加电压的变化率

由上可知,如果外加电压的变化率较大(即突然外加),则充电电流的流动会增加,从而导致可控硅在没有任何栅极电压的情况下导通。

很明显,我们可以通过增加可控硅(SCR)两端的电压变化率而不是施加一个大的正向偏置电压(就像我们在前面的例子中所做的那样)来打开可控硅(SCR)。

dv/dt 触发缺点:这种方法实际上也被避免了,因为它会导致错误的开启过程,而且这会在可控硅(SCR)上产生非常高的电压尖峰,因此会对它造成相当大的损害。


温度触发(热触发)

这种类型的触发也称为热触发,因为可控硅(SCR)通过加热来转动。而反向漏电流取决于温度。

如果温度升高到一定值,空穴对的数量也会增加,这会导致泄漏电流增加,并进一步增加可控硅(SCR)的电流增益。

由于 (α1 + α2) 值趋于一致(随着电流增益的增加),这将启动可控硅(SCR)内部的再生动作。

通过增加结J 2处的温度,耗尽层的宽度减小。因此,当正向偏置电压接近 V BO时,我们可以通过提高结温 (J 2 )来开启可控硅(SCR)。在特定温度下,结的反向偏压会击穿器件开始导通。

这种触发发生在某些情况下,特别是当设备温度更高时(也称为误触发)。

温度触发缺点:这种类型的触发实际上不被采用,因为它会导致热失控,因此可能会损坏设备或 SCR。

这种形式的可控硅(SCR)触发可能在某些情况下发生。它可能会引起意想不到的反应,因此在任何设计过程中都应注意其影响。


光触发(辐射触发)

使用这种方法触发光激活可控硅(SCR)的形式常用于高压系统。

在该方法中,允许具有适当波长和强度的光线照射结J 2。随着电荷载流子数量的增加,电流瞬时增加,导致 SCR 开启。

注意:为了在光辐射的帮助下成功打开 SCR,施加电压的变化率 (dv / dt) 必须很高。

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这些类型的晶闸管包括在 P 层内的位置。因此,当光线照射到这个位置时,可以在 J2 结处产生电子-空穴对,在结的引线处提供额外的电荷载流子,从而触发可控硅。


正向电压触发

这里施加的正向电压逐渐增加到超过一个称为正向击穿电压 VBO 的 pt,并且栅极保持打开。但这种方法不是优选的,因为在晶闸管导通过程中,它与大电压和大电流相关,从而导致巨大的功率损耗并且可能损坏设备。

这种形式的 可控硅(SCR)触发发生在阳极和阴极之间的电压导致发生雪崩传导时。结合可控硅(SCR)结构可以看到发生这种情况的方式。

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可控硅结构

当阳极到阴极的正向电压增加时,二极管结 J2 由于反向​​偏置而承受越来越大的应力。

最终,电压梯度将增加超过击穿点,雪崩击穿将触发可控硅(SCR)。

发生这种情况的电压称为正向击穿电压 VB0。

当结点 J2 击穿时,电流将流动并触发 可控硅(SCR) 进入其导通状态。结点 J1、J3 已经正向偏置,因此结点 J2 的击穿允许载流子流过所有三个结点,从而使负载电流流动。

缺点:与触发可控硅(SCR)的其他形式一样,该设备仍处于导通状态,不建议使用这种打开设备的方法,因为超过 VB0 的值可能会损坏设备。

任何电路都应设计为避免这种触发方法,并注意任何可能的电压尖峰的最大值。


直流栅极触发

在此触发中,在栅极和阴极端子之间施加足够的直流电压,以使栅极相对于阴极为正。栅极电流驱动可控硅(SCR)进入导通模式。

直流栅极触发的缺点

1、在这种方法中,连续的栅极信号(直流电压)被施加在栅极上,因此会导致内部功率耗散(或更多功率损耗)。

2、另一个重要的缺点是电源和控制电路之间没有隔离(因为它们都是直流电)。


交流触发

交流触发是开启可控硅(SCR)最常用的方法,尤其是在交流应用中。

通过电源和控制电路之间的适当隔离(使用变压器),可控硅(SCR)由来自主电源的相移交流电压触发,通过改变门信号的相位角来控制触发角。

交流触发的缺点

1、只有半个周期可用于栅极驱动来控制触发角,而在下半个周期中,在栅极和阴极之间施加反向电压,这是交流触发的限制之一。

2、另一个是需要单独的降压或脉冲变压器来从主电源向栅极驱动器提供电压。

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交流触发电路


脉冲触发

触发可控硅(SCR)最流行的方法是脉冲触发,在这种方法中,栅极被提供单个脉冲或一系列高频脉冲。

脉冲串触发的优点:

1、较高栅极电流下的低栅极耗散。

2、小门极隔离脉冲变压器

3、反向偏置条件下的低功耗是可能的。因此在某些情况下可以使用简单的触发电路

4、当第一个触发脉冲未能触发可控硅(SCR)时,后面的脉冲可以成功锁存 可控硅(SCR)。

5、触发感应电路和具有反电动势的电路。


电阻触发

以下电路显示了电阻触发。在这种方法中,可变电阻R用于控制栅极电流,通过使用这种方法,我们可以实现高达 90° 的最大触发角。

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电阻触发

根据 R 的值,当栅极电流的大小达到足够的值(器件的锁存电流)时,可控硅(SCR)开始导通。

二极管D称为阻塞二极管,它可以防止栅极阴极结在负半周期中受到损坏。


RC 触发

以下电路显示了电阻-电容触发。

通过使用这种方法,我们可以实现大于 90° 的发射角。在正半周,电容通过可变电阻 R 充电至施加电压的峰值。

变电阻R控制电容的充电时间,取决于电容两端的电压,当足够量的栅极电流将在电路中流动时,可控硅(SCR)开始导通。

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电阻-电容触发

在负半周,电容C通过二极管D2充电至负峰值,二极管D1用于防止栅极阴极结在负半周反向击穿。


设计可控硅触发电路

当可控硅正向偏置时,通过在栅极和阴极端子之间施加正栅极电压来注入栅极信号,然后晶闸管导通。

下图显示了施加栅极信号后的阳极电流波形。

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施加栅极信号后的阳极电流波形

ton是导通延迟时间,导通延迟时间是栅极信号施加与晶闸管导通之间的时间间隔。

导通延迟时间 ton 定义为 10% 的稳态栅极电流 0.1I g和 90% 的稳态晶闸管导通电流 0.9It。

t on是延迟时间 td 和上升时间 t r之和。

延迟时间td定义为稳态栅极电流 (0.1 I g ) 的 10% 和晶闸管导通电流 (0.1 I T ) 的 10% 之间的时间间隔。

上升时间t r定义为晶闸管阳极电流从晶闸管通态电流的10% (0.1I T ) 到晶闸管通态电流的90% (0.9I T ) 所用的时间。

在设计栅极晶闸管触发电路时,应牢记以下几点

1、当晶闸管导通时,栅极信号应立即移除。即使在触发和晶闸管之后连续施加栅极信号也会增加栅极结的功率损耗。
2、晶闸管反向偏置时不应施加门极信号
3、栅极信号的脉冲宽度应大于阳极电流上升到保持电流值I H所需的时间
4、施加的负栅极信号不能关断晶闸管。
5、为了停止晶闸管的传导,我们必须使流过晶闸管的阳极电流低于保持电流水平。保持电流可以定义为在没有栅极信号的情况下将晶闸管维持在导通状态所需的最小阳极电流,低于该栅极信号晶闸管停止导通。