雙向可控硅原理圖——?jiǎng)e稱“雙向晶閘管”

雙向可控硅是一種以硅單晶為基本材料的P1N1P2N2四層三端器件，是在普通可控硅的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的交流開(kāi)關(guān)器件，其英文名稱TRIAC即三端雙向交流開(kāi)關(guān)之意，發(fā)明于1957年。雙向可控硅為單向?qū)щ娦蚤_(kāi)關(guān)，能代替兩只反極性并聯(lián)的可控硅，而且僅需一個(gè)觸發(fā)電路?？煽毓杈哂袑?dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)，從外形上區(qū)分主要有：螺栓形、平板形和平底形三類。

由于雙向可控硅特性類似于真空閘流管，所以國(guó)際上通稱為硅晶體閘流管，簡(jiǎn)稱可控硅T;又由于可控硅最初應(yīng)用于可控整流方面，所以又稱為硅可控整流元件，簡(jiǎn)稱為可控硅SCR。

圖1 雙向可控硅外形圖

雙向可控硅屬于NPNPN五層器件，三個(gè)電極分別是T1、T2、G。盡管從形式上可將雙向可控硅看成兩只普通可控硅的組合，但實(shí)際上它是由7只晶體管和多只電阻構(gòu)成的功率集成器件。

因該器件可以雙向?qū)?，故除門極G以外的兩個(gè)電極統(tǒng)稱為主端子，用T1、T2。表示，不再劃分成陽(yáng)極或陰極。其特點(diǎn)是，當(dāng)G極和T2極相對(duì)于T1，的電壓均為正時(shí)，T2是陽(yáng)極，T1是陰極。反之，當(dāng)G極和T2極相對(duì)于T1的電壓均為負(fù)時(shí)，T1變成陽(yáng)極，T2為陰極。雙向可控硅由于正、反向特性曲線具有對(duì)稱性，所以它可在任何一個(gè)方向?qū)ā?/p>

相比于單向可控硅，雙向可控硅在原理上最大的區(qū)別就是能雙向?qū)?，不再有?yáng)極陰極之分，取而代之以T1和T2，其結(jié)構(gòu)示意圖如下圖2(a)所示，如果不考慮G級(jí)的不同，把它分割成圖2(b)所示，可以看出相當(dāng)于兩個(gè)單向可控硅反向并聯(lián)而成，如圖2(c)所示連接。

圖2 雙向可控硅結(jié)構(gòu)原理圖

TRIAC為三端元件，其三端分別為T1 (第二端子或第二陽(yáng)極)，T 2(第一端子或第一陽(yáng)極)和G(控制極)亦為一閘極控制開(kāi)關(guān)，與SCR最大的不同點(diǎn)在于TRIAC無(wú)論于正向或反向電壓時(shí)皆可導(dǎo)通，其符號(hào)構(gòu)造及外型如下圖3所示。因?yàn)樗请p向元件，所以不管T1、T2的電壓極性如何，若閘極有信號(hào)加入時(shí)，則T1 ,T2間呈導(dǎo)通狀態(tài);反之，加閘極觸發(fā)信號(hào)，則T1 ,T2間有極高的阻抗。

(a)符號(hào)(b)構(gòu)造

圖3 TRIAC

由于TRIAC為控制極控制的雙向可控硅,控制極電壓VG極性與陽(yáng)極間之電壓VT1T2四種組合分別如下：

(1). VT1T2為正, VG為正。

(2). VT1T2為正, VG為負(fù)。

(3). VT1T2為負(fù), VG為正。

(4). VT1T2為負(fù), VG為負(fù)。

一般最好使用在對(duì)稱情況下(1與4或2與3)，以使正負(fù)半周能得到對(duì)稱的結(jié)果，最方便的控制方法則為1與4之控制狀態(tài)，因?yàn)榭刂茦O信號(hào)與VT1T2同極性。

圖4 TRIAC之V-I特性曲線

上圖4所示為TRIAC之V-I特性曲線，將此圖與SCR之VI特性曲線比較，可看出TRIAC的特性曲線與SCR類似，只是TRIAC正負(fù)電壓均能導(dǎo)通，所以第三象限之曲線與第一象限之曲線類似，故TRIAC可視為兩個(gè)SCR反相并聯(lián)TRIAC之T1-T2的崩潰電壓亦不同，亦可看出正負(fù)半周的電壓皆可以使TRIAC導(dǎo)通，一般使TRIAC截止的方法與SCR相同，即設(shè)法降低兩陽(yáng)極間之電流到保持電流以下TRIAC即截止。

TRIAC的相位控制與SCR很類似，可用直流信號(hào)，交流相位信號(hào)與脈波信號(hào)來(lái)觸發(fā)，所不同者是V T1-T2負(fù)電壓時(shí)，仍可觸發(fā)TRIAC。TRIAC能雙向?qū)?，在正?fù)半周均能觸發(fā)、可作為全波功率控制之用，因此TRIAC除具有SCR的優(yōu)點(diǎn)，更方便于交流功率控制。

圖5(a)為TRIAC相位控制電路，只適當(dāng)?shù)恼{(diào)整RC時(shí)間常數(shù)即可改變它的激發(fā)角;圖5(b)、5(c)分別是激發(fā)角為30度時(shí)的VT1-T2及負(fù)載的電壓波形，一般TRIAC所能控制的負(fù)載遠(yuǎn)比SCR小，大體上而言約在600V、40A以下。

(a)

(b)AC兩端電壓波形

(c)負(fù)載兩端電壓波形

圖5 TRIAC相位控制電路

下面介紹利用萬(wàn)用表RXl檔判定雙向晶閘管電極的方法，同時(shí)還檢查觸發(fā)能力。

1.判定T2極

由圖6可見(jiàn)，G極與T1極靠近，距T2極較遠(yuǎn)。因此，G—T1之間的正、反向電阻都很小。在用 RXl檔測(cè)任意兩腳之間的電阻時(shí)，只有在G-T1之間呈現(xiàn)低阻，正、反向電阻僅幾十歐，而T2-G、T2-T1之間的正、反向電阻均為無(wú)窮大。這表明，如果測(cè)出某腳和其他兩腳都不通，就肯定是T2極。另外，采用TO—220封裝的雙向晶閘管，T2極通常與小散熱板連通，據(jù)此亦可確定T2極。

2.區(qū)分G極和T1極

(1)找出T2極之后，首先假定剩下兩腳中某一腳為Tl極，另一腳為G極。

(2)把黑表筆接T1極，紅表筆接T2極，電阻為無(wú)窮大。接著用紅表筆尖把T2與G短路，給G極加上負(fù)觸發(fā)信號(hào)，電阻值應(yīng)為十歐左右(參見(jiàn)圖6(a))，證明管子已經(jīng)導(dǎo)通，導(dǎo)通方向?yàn)門1一T2。再將紅表筆尖與G極脫開(kāi)(但仍接T2)，若電阻值保持不變，證明管子在觸發(fā)之后能維持導(dǎo)通狀態(tài)(見(jiàn)圖6(b))。

圖6 用萬(wàn)用表判定雙向晶閘管電極

雙向可控硅是P1N1P2N2四層三端結(jié)構(gòu)元件，共有三個(gè)PN結(jié)，分析原理時(shí)，可以把它看作由一個(gè)PNP管和一個(gè)NPN管所組成。

圖7 雙向可控硅等效圖解

當(dāng)陽(yáng)極A加上正向電壓時(shí)，BG1和BG2管均處于放大狀態(tài)。此時(shí)，如果從控制極G輸入一個(gè)正向觸發(fā)信號(hào)，BG2便有基流ib2流過(guò)，經(jīng)BG2放大，其集電極電流ic2=β2ib2。因?yàn)锽G2的集電極直接與BG1的基極相連，所以ib1=ic。

此時(shí)，電流ic2再經(jīng)BG1放大，于是BG1的集電極電流ic1=β1ib1=β1β2ib2。這個(gè)電流又流回到BG2的基極，表成正反饋，使ib2不斷增大，如此正向饋循環(huán)的結(jié)果，兩個(gè)管子的電流劇增，可控硅使飽和導(dǎo)通。

由于BG1和BG2所構(gòu)成的正反饋?zhàn)饔?，所以一旦可控硅?dǎo)通后，即使控制極G的電流消失了，可控硅仍然能夠維持導(dǎo)通狀態(tài)，由于觸發(fā)信號(hào)只起觸發(fā)作用，沒(méi)有關(guān)斷功能，所以這種可控硅是不可關(guān)斷的。

由于可控硅只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài)，所以它具有開(kāi)關(guān)特性，這種特性需要一定的條件才能轉(zhuǎn)化，條件如下：

表1 可控硅導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)的轉(zhuǎn)化條件

1，TRIAC：

三端：TRIode(取前三個(gè)字母);

交流半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)：ACsemiconductor switch(取前兩個(gè)字母)。

以上兩組名詞組合成“TRIAC”，中文譯意“三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)”。由此可見(jiàn)“TRIAC”是雙向可控硅的統(tǒng)稱。

2，BCR：

雙　向：Bi-directional(取第一個(gè)字母);

控　制：Controlled (取第一個(gè)字母);

整流器：Rectifier (取第一個(gè)字母)。

再由這三組英文名詞的首個(gè)字母組合而成:“BCR”，中文譯意“雙向可控硅”。以“BCR”來(lái)命名雙向可控硅的典型廠家如日本三菱，如:BCR1AM-12、BCR8KM、BCR08AM等等。

3，BT：

雙　向：Bi-directional (取第一個(gè)字母);

三　端：Triode (取第一個(gè)字母)。

由以上兩組單詞組合成“BT”，也可對(duì)雙向可控硅產(chǎn)品的型號(hào)命名,典型的生產(chǎn)商如：　　意法ST公司、荷蘭飛利浦-Philips公司，均以此來(lái)命名雙向可控硅。代表型號(hào)如：PHILIPS 的BT131-600D、BT134-600E、BT136-600E、BT138-600E、BT139-600E、等等，這些都是四象限/非絕緣型/雙向可控硅。

圖8 雙向可控硅具有不同的命名方式

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