【Hardware】【单向可控硅基础知识】

可控硅，英文全称 Silicon Controlled Rectifier，为一种大功率器件。具有体积小、效率高、寿命长的优点。通常分为单向可控硅（SCR）和双向可控硅（TRIAC）。双向可控硅相当于两个单向可控硅的反向并联，具有双向导通功能，通断由控制极G决定：在控制极G上加上正脉冲（负脉冲）可使其正向（反向）导通，常用于交流无触点开关的应用。

我们以单向可控硅为例来进行介绍。

单向可控硅等效结构：

单向可控硅的等效结构如下图所示：

可控硅内部分为四层 P-N-P-N，组成三个PN结，对外引出三个电极：

阳极A：最外层P型半导体材料引出；
门极G：中间层P型半导体材料引出；
阴极K：最外层N型半导体材料引出。

等效为上图最右侧的两个三极管电路。

单向可控硅工作原理：

在AK之间添加电压VAK，此时Q1、Q2未导通，A、K之间无电流流过。
在GK之间添加电压VGK，Q2导通，基极产生电流 IB2，Q2对基极电流IB2进行放大，得到相应的集电极电流 IC2（IB2*β2）
此时，IC2仍然比较小，即IB1比较小，IA处已经有微弱的电流，流经电阻R2，一个初步的完整回路已经建立
Q1借助微小的IB1和IA1，也进入放大状态（微导通）。又IB1=IC2，IB1经过Q1放大之后，IC1=IB2β2β1
IC1的电流又流入Q2基极，成为彼时IB2的一部分，这个更大的电流逐次又被放大，周而复始
最终Q1、Q2饱和，AK之间的压降很小，即为 VBE1+VCE2
此时，VAK的电压基本全部加在了R2上。

实际设计中，R2通常为某一负载，比如为电灯泡。在可控硅导通之后，灯泡便被点亮。

如果此时我们拿掉VGK，灯泡会熄灭么？很遗憾，并不会，灯泡依然被点亮。

单向可控硅参数：

常用的 MCR12DG V/I 特性曲线如下：

VDRM： Peak Repetitive Off State Forward Voltage，可控硅关断状态下的最大正向电压

IDRM： Peak Forward Blocking Current，可控硅关断状态下的最大正向电流

VRRM ： Peak Repetitive Off State Reverse Voltage，可控硅关断状态下的最大反向电压

IRRM ： Peak Reverse Blocking Current，可控硅关断下的最大反向电流

VTM ： Peak On State Voltage，可控硅导通状态下VAK的最大正向电压

IH ： Holding Current ，保持可控硅处于导通状态所需的最小电流，又称为维持电流

IL ： Latch Current，可控硅从关断转入导通状态，并移除G极触发信号后，能维持导通所需的最小电流

VGT ： Minimum Gate Trigger Voltage，施加在GK上，可触发可控硅导通的最小电压值

IGT ： Gate Trigger Voltage@VGT，GK上施加VGT时对应的G极电流值

IT ： On State RMS Current(RMS when ac power applied)，可控硅导通后，流过AK之间的电流。若VAK为交流电时，此参数以RMS计算

IGM ： Forward Peak Gate Current，G极正向最大电流值

单向可控硅导通、关闭总结：

1. 从关断到导通

阳极电位高于阴极电位，即VAK>0

控制极有足够的正向电压和电流

两者缺一不可。

2. 维持导通

阳极电位高于阴极电位

阳极电流大于维持电流

两者缺一不可。

3. 从导通到关断

阳极电位低于阴极电位

阳极电流小于维持电流

任一条件即可。

单向可控硅简单仿真电路：

使用 LTspice 简单定性测试可控硅的导通性能。

电路图如下：

仿真结果如下：

绿色为V2：正弦波，50Hz，幅度20V
蓝色为V1：G极控制脉冲信号，脉冲幅值10V，脉冲宽度2ms，周期10ms，delay为0.5ms
红色为U1：可控硅阳极处的波形。
正弦波正半周：G极为高电平时，可控硅导通，U1电压很低；G极为低电平时，可控硅不导通；
正弦波负半周：无论G极为高还是为低，由于VAK<0，可控硅均不导通。

参考资料：

可控硅工作原理及参数详解
单向可控硅的使用方法和介绍

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