向強電沖擊的先鋒—可控硅

可控硅是可控硅整流元件的簡稱，是一種具有三個PN 結的四層結構的大功率半導體器件。實際上，可控硅的功用不僅是整流，它還可以用作無觸點開關以快速接通或切斷電路，實現將直流電變成交流電的逆變，將一種頻率的交流電變成另一種頻率的交流電，等等。可控硅和其它半導體器件一樣，其有體積小、效率高、穩定性好、工作可靠等優點。它的出現，使半導體技術從弱電 領域進入了強電領域，成為工業、農業、交通運輸、軍事科研以至商業、民用電器等方面爭相采用的元件。1. 可控硅的結構和特性 可控硅從外形上分主要有螺旋式、平板式和平底式三種。螺旋式的應用較多。可控硅有三個電極——陽極（A）陰極（C）和控制極（G）。它有管芯是P 型導體和N 型導體交迭組成的四層結構，共有三個PN 結。可控硅和只有一個PN 結的硅整流二極度管在結構上迥然不同。可控硅的四層結構和控制極的引用，為其發揮“以小控大”的優異控制特性奠定了基礎。在應用可控硅時，只要在控制極加上很小的電流或電壓，就能控制很大的陽極電流或電壓。目前已能制造出電流容量達幾百安培以至上千安培的可控硅元件。一般把5安培以下的可控硅叫小功率可控硅，50安培以上的可控硅叫大功率可控硅。可控硅為什么其有“以小控大”的可控性呢？首先，我們可以把從陰極向上數的第一、二、三層看面是一只NPN 型號晶體管，而二、三四層組成另一只PNP 型晶體管。其中第二、第三層為兩管交迭共用。當在陽極和陰極之間加上一個正向電壓Ea ，又在控制極G和陰極C之間（相當B_G1 的基一射間）輸入一個正的觸發信號，B_G1 將產生基極電流I_b1 ，經放大，B_G1 將有一個放大了β₁ 倍的集電極電流I_C1 。因為B_G1 集電極與B_G2 基極相連，I_C1 又是B_G2 的基極電流Ib2 。B_G2 又把比I_b2 （I_b1 ）放大了β2 的集電極電流I_C2 送回B_G1 的基極放大。如此循環放大，直到B_G1 、B_G2 完全導通。實際這一過程是“一觸即發”的過程，對可控硅來說，觸發信號加入控制極，可控硅立即導通。導通的時間主要決定于可控硅的性能。可控硅一經觸發導通后，由于循環反饋的原因，流入B_G1 基極的電流已不只是初始的I_b1 ，而是經過B_G1 、B_G2 放大后的電流（β₁ *β₂ *I_b1 ）這一電流遠大于I_b1 ，足以保持B_G1 的持續導通。此時觸發信號即使消失，可控硅仍保持導通狀態只有斷開電源Ea 或降低Ea ，使B_G1 、B_G2 中的集電極電流小于維持導通的最小值時，可控硅方可關斷。當然，如果Ea 極性反接，B_G1 、B_G2 由于受到反向電壓作用將處于截止狀態。這時，即使輸入觸發信號，可控硅也不能工作。反過來，Ea 接成正向，而觸動發信號是負的，可控硅也不能導通。另外，如果不加觸發信號，而正向陽極電壓大到超過一定值時，可控硅也會導通，但已屬于非正常工作情況了。可控硅這種通過觸發信號（小的觸發電流）來控制導通（可控硅中通過大電流）的可控特性，正是它區別于普通硅整流二極管的重要特征。 2. 可控硅的主要參數 可控硅的主要參數有： (1) 額定通態平均電流IT在一定條件下，陽極---陰極間可以連續通過的50赫茲正弦半波電流的平均值。 (2) 正向阻斷峰值電壓V_PF 在控制極開路未加觸發信號，陽極正向電壓還未超過導能電壓時，可以重復加在可控硅兩端的正向峰值電壓。可控硅承受的正向電壓峰值，不能超過手冊給出的這個參數值。 (3) 反向陰斷峰值電壓VPR當可控硅加反向電壓，處于反向關斷狀態時，可以重復加在可控硅兩端的反向峰值電壓。使用時，不能超過手冊給出的這個參數值。 (4) 控制極觸發電流I_g1 、觸發電壓VGT在規定的環境溫度下，陽極——陰極間加有一定電壓時，可控硅從關斷狀態轉為導通狀態所需要的最小控制極電流和電壓。 (5) 維持電流IH在規定溫度下，控制極斷路，維持可控硅導通所必需的最小陽極正向電流。近年來，許多新型可控硅元件相繼問世，如適于高頻應用的快速可控硅，可以用正或負的觸發信號控制兩個方向導通的雙向可控硅，可以用正觸發信號使其導通，用負觸發信號使其關斷的可控硅等等。