可控硅元件

可控硅元件

一、概述

一种以硅单晶为基本材料的P1N1P2N2四层三端器件，创制于1957年，由于它特性类似于真空闸流管，所以国际上通称为硅晶体闸流管，简称晶闸管T。又由于晶闸管最初应用于可控整流方面所以又称为硅可控整流元件，简称为可控硅SCR。 在性能上，可控硅不仅具有单向导电性，而且还具有比硅整流元件（谷称“死硅”）更为可贵的可控性。它只有导通和关断两种状态。 可控硅能以毫安级电流控制大功率的机电设备，如果超过此频率，因元件开关损髦显著增加，允许通过的平均电流相降低，此时，标称电流应降级使用。 可控硅的优点很多，例如：以小功率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍；反应极快，在微秒级内开通、关断；无触点运行，无火花、无噪音；效率高，成本低等等。 可控硅的弱点：静态及动态的过载能力较差；容易受干扰而误导通。 可控硅从外形上分类主要有：螺栓形、平板形和平底形。

二、可控硅元件的结构和型号

1、结构 不管可控硅的外形如何，它们的管芯都是由P型硅和N型硅组成的四层P1N1P2N2结构。见图1。它有三个PN结（J1、J2、J3），从J1结构的P1层引出阳极A，从N2层引出阴级K，从P2层引出控制极G，所以它是一种四层三端的半导体器件

图1、可控硅结构示意图和符号图

2、型号

目前国产可控硅的型号有部颁新、旧标准两种，新型号将逐步取代旧型号。

表一 KP型可控硅新旧标准主要特性参数对照表

参数 部颁新标准（JB1144-75） 部颁旧标准（JB1144-71） 序号 KP型右控硅整流元件 3CT系列可控硅整流元件 1 额定通态平均电流（IT（AV）） 额定正向平均值电流（IF） 2 断态重复峰值电压（UDRM） 正向阻断峰值电压（UPF） 3 反向重复峰值电压（URRM） 反向峰值电压（VPR） 4 断态重复平均电流（IDR（AV）） 正向平均漏电流（I） 5 反向重复平均电流（IRR（AV）） 反向平均漏电电流（IRL） 6 通态平均电压（UT（AV）） 最大正向平均电压降（VF） 7 门极触发电流（IGT） 控制极触发电流（Ig） 8 门极触发电压（UGT） 控制极触发电压（Vg） 9 断态电压临界上升率（du/dt） 极限正向电压上升率(dV/dt） 10 维持电流（IH） 维持电流（IH） 11 额定结温（TjM） 额定工作结温（Tj）

KP型可控硅的电流电压级别见表二 表二、KP型可控硅电流电压级别

额定通态平均 电流IT（AV）（A） 1，5，10，20，30，50，100，200，300，400，500，600，700，800，100 正反向重复 峰值电压UDRM， URRM（×100）（V） 1～10，12，14，16，18，20，22，24，26，，28，30 通态平均电压 UT(AV)(V) A B C D E F G H I ≤0.4 0.4～0.5 0.5～0.6 0.6～0.7 0.7～0.8 0.8～0.9 0.9～1.0 1.0～1.1 1.1～1,2

示例： （1）KP5-10表示通态平均电流5安，正向重复峰值电压1000伏的普通反向阻断型可控硅元件。 （2）KP500-12D表示通态平均电流500安，正、反向重复峰值电压1200伏，通态平均电压0.7伏的业通反向阻断型可控硅元件。 （3）3CT5/600表示通态平均电流5安，正、反向重复峰值电压600伏的旧型号普通可控硅元件。

三、可控硅元件的工作原理及基本特性

1、工作原理 可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成，其等效图解如图2所示

图2、可控硅等效图解图

当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=β2ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic2。此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=β1ib1=β1β2ib2。这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。 由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。 由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化，此条件见表三

表三、可控硅导通和关断条件

状态 条件 说明 从关断到导通 1、阳极电位高于是阴极电位 2、控制极有足够的正向电压和电流 两者缺一不可 维持导通 1、阳极电位高于阴极电位 2、阳极电流大于维持电流 两者缺一不可 从导通到关断 1、阳极电位低于阴极电位 2、阳极电流小于维持电流 任一条件即可

2、基本伏安特性

可控硅的基本伏安特性见图3

图3、可控硅基本伏安特性

（1）反向特性 当控制极开路，阳极加上反向电压时（见图4），J2结正偏，但J1、J2结反偏。此时只能流过很小的反向饱和电流，当电压进一步提高到J1结的雪崩击穿电压后，接差J3结也击穿，电流迅速增加，图3的特性开始弯曲，如特性OR段所示，弯曲处的电压URO叫“反向转折电压”。此时，可控硅会发生永久性反向击穿。 （2）正向特性 当控制极开路，阳极上加上正向电压时（见图5），J1、J3结正偏，但J2结反偏，这与普通PN结的反向特性相似，也只能流过很小电流，这叫正向阻断状态，当电压增加，图3的特性发生了弯曲，如特性OA段所示，弯曲处的是UBO叫：正向转折电压

图4、阳极加反向电压

图5、阳极加正向电压

由于电压升高到J2结的雪崩击穿电压后，J2结发生雪崩倍增效应，在结区产生大量的电子和空穴，电子时入N1区，空穴时入P2区。进入N1区的电子与由P1区通过J1结注入N1区的空穴复合，同样，进入P2区的空穴与由N2区通过J3结注入P2区的电子复合，雪崩击穿，进入N1区的电子与进入P2区的空穴各自不能全部复合掉，这样，在N1区就有电子积累，在P2区就有空穴积累，结果使P2区的电位升高，N1区的电位下降，J2结变成正偏，只要电流稍增加，电压便迅速下降，出现所谓负阻特性，见图3的虚线AB段。 这时J1、J2、J3三个结均处于正偏，可控硅便进入正向导电状态---通态，此时，它的特性与普通的PN结正向特性相似，见图3中的BC段 3、触发导通 在控制极G上加入正向电压时（见图6）因J3正偏，P2区的空穴时入N2区，N2区的电子进入P2区，形成触发电流IGT。在可控硅的内部正反馈作用（见图2）的基础上，加上IGT的作用，使可控硅提前导通，导致图3的伏安特性OA段左移，IGT越大，特性左移越快。

图6、阳极和控制极均加正向电压