可控硅整流器 (SCR)

肖克利二极管和可控硅整流器 (SCR)

肖克利二极管是一种奇怪的器件，但在应用方面却相当有限。然而，通过为它们配备另一种闩锁装置，它们的用途可能会扩大。这样做，每个都成为真正的放大设备（如果只是在开/关模式下），我们将它们称为可控硅整流器或 SCR。

从肖克利二极管到 SCR 的发展是通过一个小的添加实现的，实际上只不过是与现有 PNPN 结构的第三条线连接：（下图）

可控硅整流器 (SCR)

可控硅传导

如果 SCR 的栅极悬空（断开连接），它的行为与肖克利二极管完全相同。它可以通过导通电压或超过阳极和阴极之间电压上升的临界速率来锁存，就像肖克利二极管一样。压降是通过降低电流直到一个或两个内部晶体管进入截止模式来实现的，这与肖克利二极管类似。然而，由于栅极端子直接连接到下晶体管的基极，因此它可以用作锁存 SCR 的替代方法。通过在栅极和阴极之间施加一个小电压，产生的基极电流将迫使下部晶体管导通，这将导致上部晶体管导通，然后为下部晶体管的基极提供电流，使其不再需要被激活通过栅极电压。当然，启动闩锁所需的栅极电流将远低于从阴极到阳极通过 SCR 的电流，因此 SCR 确实实现了放大。

触发/开火

这种确保 SCR 导通的方法称为触发或触发，这是迄今为止在实际实践中锁定 SCR 最常见的方式。事实上，通常选择 SCR 时，它们的导通电压远远超过电源预期承受的最大电压，因此它只能通过施加到栅极的有意电压脉冲来开启。

反向触发

应该提到的是，有时可以通过将其栅极和阴极端子直接短接在一起或通过使用负电压（相对于阴极）“反向触发”栅极来关闭 SCR，从而迫使较低的晶体管进入隔断。我说这是“有时”可能的，因为它涉及将所有上晶体管的集电极电流分流通过下晶体管的基极。该电流可能很大，使 SCR 的触发关闭充其量是困难的。 SCR 的一种变体，称为栅极关断晶闸管或 GTO，使这项任务更容易。但即使使用 GTO，关闭它所需的栅极电流也可能高达阳极（负载）电流的 20%！ GTO 的示意图符号如下图所示：（下图）

门极可关断晶闸管 (GTO)

SCR 与 GTO

SCR 和 GTO 共享相同的等效原理图（两个晶体管以正反馈方式连接），唯一的区别是结构细节旨在授予 NPN 晶体管比 PNP 更大的 β。这允许较小的栅极电流（正向或反向）对从阴极到阳极的传导施加更大程度的控制，而 PNP 晶体管的锁存状态更依赖于 NPN，反之亦然。栅极关断晶闸管也称为栅极控制开关，或 GCS。

使用欧姆表测试 SCR 功能

可以使用欧姆表对 SCR 功能进行初步测试，或者至少是终端识别。由于栅极和阴极之间的内部连接是单个PN结，因此仪表应指示这些端子之间的导通性，栅极上的红色表笔和阴极上的黑色表笔如下所示：（下图）

SCR 的初步测试

在 SCR 上执行的所有其他连续性测量将显示“开路”（某些数字万用表显示屏上的“OL”）。必须理解，这个测试非常粗略，并不构成对SCR的综合评估。 SCR 有可能提供良好的欧姆表指示但仍有缺陷。最终，测试 SCR 的唯一方法是让其承受负载电流。

如果您使用具有“二极管检查”功能的万用表，您获得的栅极到阴极结电压指示可能与硅 PN 结的预期值（大约 0.7 伏）相对应，也可能不对应。在某些情况下，您会看到一个低得多的结电压：仅为百分之一伏。这是由于某些 SCR 中的栅极和阴极之间连接了一个内部电阻器。添加该电阻器是为了使 SCR 不易受到来自电路“噪声”或静电放电的虚假电压尖峰的错误触发的影响。换句话说，在栅极-阴极结上连接一个电阻器需要施加强触发信号（大电流）来锁存 SCR。此功能通常出现在较大的 SCR 中，而不是小 SCR 上。请记住，在栅极和阴极之间连接有内部电阻器的 SCR 将指示这两个端子之间在两个方向上的连续性：（下图）

较大的 SCR 具有栅极到阴极电阻器。

敏感栅极 SCR

“普通” SCR 没有这种内部电阻器，有时被称为敏感栅极 SCR，因为它们能够被最轻微的正栅极信号触发。

SCR 的测试电路既可用作检查可疑 SCR 的诊断工具，也是了解基本 SCR 操作的极好帮助。一个直流电压源为电路供电，两个按钮开关分别用于锁存和解锁可控硅：（下图）

可控硅测试电路

启动常开“on”按钮开关将栅极连接到阳极，允许电流从电池的正极，通过负载电阻，通过开关，通过阴极-栅极 PN 结，并返回到电池。该栅极电流应强制 SCR 锁定，从而允许电流直接从阳极流向阴极，而无需进一步通过栅极触发。当“on”按钮被释放时，负载应保持通电。

按下常闭“关”按钮开关断开电路，迫使电流通过 SCR 停止，从而迫使其关闭（低电流压降）。

保持电流

如果 SCR 未能锁定，则问题可能出在负载上，而不是出在 SCR 上。需要一定的最小负载电流量才能将 SCR 保持在“开启”状态。这个最小电流水平称为保持电流。当栅极电流停止时，电阻值太大的负载可能无法汲取足够的电流来保持 SCR 锁存，从而给人一种测试电路中 SCR 不良（不可锁存）的错误印象。制造商应提供不同 SCR 的保持电流值。对于较大的单元，典型的保持电流值范围从 1 毫安到 50 毫安或更多。

为了使测试全面全面，需要测试的不仅仅是触发动作。可以通过增加直流电压供应（没有启动按钮开关）来测试 SCR 的正向导通电压限制，直到 SCR 自行锁定。请注意导通测试可能需要非常高的电压：许多功率 SCR 的导通电压额定值为 600 伏或更高！此外，如果有脉冲电压发生器可用，则可以用相同的方式测试 SCR 的临界电压上升速率：将其置于不同 V/时间速率的脉冲电源电压下，不启动按钮开关，并查看它何时锁定。

在这种简单的形式下，可控硅测试电路足以作为直流电机、灯或其他实际负载的启动/停止控制电路：（下图）

直流电机启停控制电路

“撬棍”电路

直流电路中 SCR 的另一个实际用途是用作过压保护的撬棒装置。 “撬棒”电路由一个与直流电源输出并联的 SCR 组成，用于在该电源的输出上放置一个直接短路，以防止过高的电压到达负载。通过在 SCR 之前明智地放置保险丝或大量串联电阻以限制短路电流，可以防止损坏 SCR 和电源：（下图）

用于直流电源的 Crowbar 电路

一些感测输出电压的设备或电路会连接到可控硅的栅极，这样当发生过压情况时，栅极和阴极之间会施加电压，触发可控硅并迫使保险丝熔断。其效果与将实心钢制撬棍直接穿过电源的输出端子大致相同，电路因此而得名。

尽管 SCR 本质上是直流（单向）设备，但 SCR 的大多数应用都用于交流电源控制。如果需要双向电路电流，可以使用多个 SCR，其中一个或多个面向每个方向以处理通过交流波的两个半周期的电流。 SCR 完全用于交流电源控制应用的主要原因是晶闸管对交流电的独特响应。正如我们所看到的，闸流管（SCR 的电子管版本）和 DIAC，在交流半周期的一部分期间触发的迟滞装置将锁定并在整个半周期的剩余时间内保持开启，直到交流电流减小到零，因为它必须开始下一个半周期。就在电流波形的零交叉点之前，晶闸管将因电流不足而关闭（这种行为也称为自然换向），必须在下一个周期再次触发。结果是一个等效于“斩波”正弦波的电路电流。回顾一下，这里是 DIAC 对峰值超过 DIAC 导通电压的交流电压的响应图：（下图）

DIAC 双向响应

对于 DIAC，该转折电压限制是一个固定数量。使用 SCR，我们可以通过在波形的任何时间点触发栅极来准确控制设备何时被锁存。通过将合适的控制电路连接到 SCR 的栅极，我们可以在任何点“斩波”正弦波，以实现对负载的时间比例功率控制。

以下图中的电路为例。此处，可控硅位于电路中以控制从交流电源向负载供电。

交流电源的可控硅控制

作为单向（单向）设备，我们最多只能在交流的半周期内向负载提供半波功率，其中电源电压极性在顶部为正，在底部为负。然而，为了演示时间比例控制的基本概念，这个简单的电路比一个控制全波功率的电路（需要两个 SCR）要好。

由于没有触发栅极，并且交流电源电压远低于 SCR 的导通电压额定值，因此 SCR 将永远不会开启。通过标准整流二极管将 SCR 栅极连接到阳极（以防止在 SCR 包含内置栅极 - 阴极电阻的情况下通过栅极的反向电流），将允许 SCR 在开始时几乎立即触发每个正半周期：（下图）

栅极通过二极管直接连接到阳极；几乎完整的半波电流通过负载。

SCR 触发延迟

然而，我们可以通过在栅极电路中插入一些电阻来延迟 SCR 的触发，从而在足够的栅极电流触发 SCR 之前增加所需的压降量。换句话说，如果我们通过增加一个电阻使电流更难流过栅极，交流电压将必须在其周期中达到更高的点，然后才有足够的栅极电流来打开 SCR。结果如下图。

门电路中插入电阻；小于半波电流通过负载。

通过延迟触发 SCR 将半正弦波斩波到更大程度，负载接收的平均功率较少（在整个周期内输送功率的时间较短）。通过使串联栅极电阻可变，我们可以调整时间比例功率：（下图）

增加电阻会提高阈值水平，从而导致输送到负载的功率减少。降低电阻会降低阈值水平，从而导致更多的功率被输送到负载。

不幸的是，这种控制方案有很大的局限性。在将 AC 源波形用于 SCR 触发信号时，我们将控制限制在波形半周期的前半部分。换句话说，我们不可能等到波峰过后才触发 SCR。这意味着我们只能将功率降低到 SCR 在波的最高峰时打开的点：（下图）

最小功率设置下的电路

再提高触发阈值将导致电路根本不触发，因为即使是交流电源电压的峰值也不足以触发 SCR。结果将不会为负载供电。

在电路中增加一个移相电容器可以巧妙地解决这个控制难题：（下图）

在电路中添加移相电容器

图中较小的波形是电容器两端的电压。为了说明相移，我假设最大控制电阻的条件是在没有负载电流的情况下 SCR 根本不触发，除了通过控制电阻器和电容器的小电流。该电容器电压将在 0o 到 90o 的任何位置发生相移，滞后于电源交流波形。当这个移相电压达到足够高的水平时，可控硅就会触发。

当电容器两端有足够的电压来周期性地触发 SCR 时，产生的负载电流波形将类似于下图）

相移信号触发 SCR 导通。

由于在主 AC 电源波形达到峰值后电容器波形仍在上升，因此可以在超过该峰值的阈值电平上触发 SCR，从而比使用更简单的电路更能切断负载电流波。实际上，电容器电压波形比此处显示的要复杂一些，每次 SCR 锁定时其正弦形状都会失真。然而，我在这里想说明的是通过移相 RC 网络获得的延迟触发动作；因此，一个简化的、不失真的波形可以很好地达到目的。

复杂电路触发 SCR

SCR 也可能由更复杂的电路触发或“触发”。虽然之前显示的电路足以满足灯控制等简单应用，但大型工业电机控制通常依赖于更复杂的触发方法。有时，脉冲变压器用于将触发电路耦合到可控硅的栅极和阴极，以在触发电路和电源电路之间提供电气隔离。

触发信号的变压器耦合提供隔离。

当多个 SCR 用于控制电源时，它们的阴极通常在电气上并不通用，因此很难将单个触发电路均等地连接到所有 SCR。下图所示的可控桥式整流器就是一个例子。

可控桥式整流器

在任何桥式整流器电路中，整流二极管（在本例中为整流 SCR）必须成对导通。 SCR1 和 SCR3 必须同时点火，SCR2 和 SCR4 必须成对一起点火。但是，您会注意到，这些 SCR 对不共享相同的阴极连接，这意味着简单地并联它们各自的栅极连接并连接单个电压源来触发两者是行不通的：（下图）

此策略不适用于同时触发 SCR2 和 SCR4。

尽管所示的触发电压源将触发 SCR4，但它不会正确触发 SCR2，因为两个晶闸管不共享公共阴极连接以参考该触发电压。但是，将两个晶闸管栅极连接到公共触发电压源的脉冲变压器将起作用：（下图）

门的变压器耦合允许触发 SCR2 和 SCR4。

请记住，该电路仅显示四个 SCR 中两个的栅极连接。为简单起见，省略了SCR1和SCR3的脉冲变压器和触发源，以及脉冲源本身的细节。

可控桥式整流器不限于单相设计。在大多数工业控制系统中，交流电源以三相形式提供，以实现最高效率，而构建固态控制电路以利用这一点。一个由可控硅构成的三相可控整流电路，没有显示脉冲变压器或触发电路，如下图所示。

三相桥式可控硅负载控制

评论： 可控硅整流器或 SCR 本质上是一个肖克利二极管，增加了一个额外的端子。这个额外的端子称为栅极，它用于通过施加小电压来触发器件导通（锁存）。要触发或触发 SCR，必须在栅极和阴极之间施加电压，栅极为正极，阴极为负极。

测试 SCR 时，栅极和阳极之间的瞬时连接在极性、强度和持续时间方面足以触发它。 SCR 可能是由栅极端子的有意触发、阳极和阴极之间的过电压（击穿）或阳极和阴极之间的电压升高速率过大而触发的。可以通过阳极电流低于保持电流值（低电流下降）或通过“反向触发”栅极（向栅极施加负电压）来关闭 SCR。反向点火只是有时有效，并且总是涉及高栅极电流。

SCR 的一种变体称为栅极关断晶闸管 (GTO)，专门设计用于通过反向触发来关断。即便如此，反向触发也需要相当高的电流：通常为阳极电流的 20%。 SCR 端子可以通过连续性计进行识别：唯一显示它们之间存在任何连续性的两个端子应该是栅极和阴极。栅极和阴极端子连接到 SCR 内部的 PN 结，因此通断计应在这两个端子之间获得类似二极管的读数，红色 (+) 引线位于栅极，黑色 (-) 引线位于阴极。但请注意，一些大型 SCR 的栅极和阴极之间连接了一个内部电阻器，这会影响仪表读取的任何连续性读数。

SCR 是真正的整流器：它们只允许一个方向的电流通过。这意味着它们不能单独用于全波交流电源控制。如果整流器电路中的二极管被 SCR 取代，您就拥有了可控整流器电路，通过在 AC 电源波形的不同点触发 SCR，可以按时间分配给负载的 DC 电源。

相关工作表：

• 晶闸管工作表