電動見解：掌握矽控制整流器（SCR）
2024-05-24 6123

矽控制的整流器（SCRS）在現代電子中的有效功率控制開關。它們通過其唯一符號來識別，其中包括一個允許單向電流流的額外門端子。對SCR的透徹理解可以使它們有效地集成到電子設計中。該通道帖子深入研究了SCR的詳細構造，檢查了所使用的每一層和材料。它解釋了操作模式，包括如何觸發門終端控制電流流。還討論了從表面台上到整個孔類型的各種SCR軟件包，為選擇正確的應用程序提供了實用的見解。通過遵循本指南，您將有能力有效利用高級電子系統中的SCR。

目錄

圖1：SCR符號及其終端

矽控制的整流器符號

矽控制的整流器（SCR）符號類似於二極管符號，但包括附加的門端子。該設計突出了SCR允許電流向一個方向流動（從陽極（a）到陰極（k））的能力，同時將其朝相反的方向阻塞。這三個關鍵終端是：

陽極（a）：當scr向前偏置時電流輸入的端子。

陰極（K）：當前退出的端子。

門（G）：觸發SCR的控制端子。

SCR符號還用於具有相似開關特性的晶閘管。正確的偏見和控制方法取決於理解符號。在探索設備的構造和操作之前，這是必不可少的，可以在各種電路中有效使用。

矽控制的整流器建築

矽控制的整流器（SCR）是一種四層半導體裝置，可替代P型和N型材料，形成三個連接：J1，J2和J3。讓我們詳細分解其結構和操作。

層組成

外層：外部P和N層充滿了雜質，以增加其電導率並降低電阻。這種濃重的摻雜使這些層可以有效地進行高電流，從而增強了SCR在管理大功率負載方面的性能。

中層：內部P和N層略微摻雜，這意味著它們的雜質更少。這種光摻雜對於控制電流流動至關重要，因為它可以形成耗盡區域，即在沒有移動荷裡載體的半導體內。這些耗竭區域是控制電流流動流的關鍵，從而使SCR充當精確的開關。

圖2：SCR的P和N層

終端連接

柵極端子：柵極端子連接到中間P層。將小電流施加到柵極上會觸發SCR，從而使較大的電流從陽極流向陰極。觸發後，即使驅動柵極電流被卸下，也將SCR保留在陽極和陰極之間的足夠電壓。

陽極端子：陽極端子連接到外部P層，並用作主電流的入口點。為了使SCR進行操作，陽極必須比陰極更高，並且門必須接收觸發電流。在導電狀態下，電流從陽極通過SCR流向陰極。

陰極端子：陰極端子連接到外部N層，並充當電流的出口點。進行SCR時，陰極確保電流從陽極到陰極的正確方向流動。

圖3：門，陽極和陰極終端

物質選擇

由於幾個優勢，矽比也更優於也具有SCR結構：

較低的洩漏電流：矽的內在載體濃度較低，導致洩漏電流減少。這對於保持效率和可靠性至關重要，尤其是在高溫環境中。

較高的熱穩定性：矽可以在高溫下運行，比鍺更高，使其更適合產生大量熱量的高功率應用。

更好的電氣特性：使用更寬的帶隙（矽1.1 eV vs. 0.66 eV的鍺），矽具有更好的電性能，例如在各種條件下更高的擊穿電壓和更健壯的操作。

可用性和成本：矽比鍺更豐富，更便宜。建立良好的矽行業允許具有成本效益且可擴展的製造工藝。

圖4：矽

鍺怎麼樣？

與硅相比，鍺具有幾個缺點，因此它不適合許多應用。鍺不能像矽一樣有效地承受高溫。這限制了其在產生大量熱量的高功率應用中的使用。然後，鍺具有較高的內在載體濃度，從而導致較高的洩漏電流。這會增加功率損失並降低效率，尤其是在高溫條件下。除此之外，在半導體設備的初期使用了鍺。但是，其在熱穩定性和洩漏電流中的局限性導致矽的廣泛採用。矽的優質特性使其成為大多數半導體應用的首選材料。

圖5：鍺

SCR結構的類型

平面建築

平面構造最適合處理較低功率水平的設備，同時仍提供高性能和可靠性。

在平面構造中，半導體材料（通常是矽）經歷擴散過程，其中引入了雜質（摻雜劑）形成P型和N型區域。這些摻雜劑在​​單個平坦的平面中擴散，從而形成了連接的均勻形成。

平面構造的優勢包括在整個交界處創建一個統一的電場，從而降低了潛在的Variat離子和電噪聲，從而提高了設備​​的性能和可靠性。由於所有連接均在單個平面上形成，因此製造過程被簡化，簡化了光刻和蝕刻步驟。這不僅降低了複雜性和成本，而且還可以通過使始終如一地控制和重現必要的結構來提高收益率。

圖6：平面SCR過程

梅薩建築

Mesa SCRS是為高功率環境而建造的，通常用於運動控制和電源轉換等工業應用中。

J2連接是SCR中的第二個P-N結，是使用擴散創建的，在該擴散中，將摻雜原子引入矽晶片中以形成必要的P型和N型區域。此過程允許對交界處的屬性進行精確控制。外部P和N層是通過合金的過程形成的，其中具有所需摻雜劑的材料融化到矽晶片上，從而產生堅固耐用的層。

MESA結構的優勢包括其管理高電流和電壓而不會降解的能力，這要歸功於擴散和合金形成的牢固連接。強大而耐用的設計增強了SCR有效處理大型電流的能力，使其對大功率應用程序可靠。此外，它適用於各種高功率應用程序，為不同行業提供了多功能選擇。

圖7：Mesa SCR過程

外部結構

SCR的外部結構側重於耐用性，有效的熱管理以及易於整合到電力電子設備中。陽極端子（通常是較大的端子或選項卡）旨在處理高電流，並連接到電源的正面。陰極端子連接到電源或負載的負側，也用於高電流處理，並進行標記。用於觸發SCR進入傳導的柵極端子通常較小，並且需要仔細處理以避免因電流或電壓過多而損壞。

SCR在外部結構中的優點包括它們適用於工業應用，例如電動機控制，電源和大型整流器，在該應用程序中，它們可以管理除許多其他半導體設備以外的電源水平。它們的低狀態電壓下降可最大程度地減少功率耗散，使其非常適合節能應用。通過柵極終端的簡單觸發機制可以輕鬆地集成到控制電路和系統中。此外，它們的廣泛可用性和成熟的製造過程有助於其成本效益。

總而言之，當使用這些不同類型的SCR結構時，可以在不同情況下選擇適當的SCR結構。

平面構建：低功率應用的理想選擇。在需要降低電噪聲和一致性的電路中，有必要。

MESA構造：對於高功率應用，請注意散熱需求和強大的設計要求。確保SCR可以處理預期的電流和電壓水平，而不會過熱。

外部結構：仔細處理終端，尤其是門端。確保連接安全，並設計為有效地管理高電流流量。

圖8：外部施工過程

操作見解

SCR的四層結構形成了NPNP或PNPN配置，一旦觸發，就會形成再生反饋迴路，該反饋環將保持傳導，直到電流低於特定閾值。要觸發SCR，請將一個小電流應用於柵極端子，啟動J2連接的分解並允許電流從陽極流到陰極。有效的熱量管理對於高功率SCR很重要，並且使用穩固的散熱器連接使用按下包裝構造可確保有效的散熱，從而防止熱失控並增強設備的壽命。

圖9：NPN和PNP

矽受控整流器的主要模式

矽控制的整流器（SCR）以三種主要模式運行：正向阻塞，向前傳導和反向阻塞。

向前阻塞模式

在正向阻塞模式下，陽極相對於陰極為正，並且柵極端子保持打開狀態。在這種狀態下，只有少量洩漏電流流過SCR，保持高電阻並防止明顯的電流流動。SCR的行為就像開關，阻止電流，直到施加的電壓超過其斷裂電壓。

圖10：流過SCR

正向傳導模式

在正向傳導模式下，SCR在ON狀態下進行並運行。可以通過將正向偏置電壓增加到擊穿電壓或在柵極端子上施加正電壓來實現此模式。增加向前偏置電壓會導致連接處發生雪崩故障，從而使大電流流動。對於低壓應用，應用正門電壓更實用，可以通過使SCR向前偏置來啟動傳導。一旦SCR開始進行導電，只要電流超過保持電流（IL），它就會保持這種狀態。如果電流低於此級別，則SCR返回到阻止狀態。

圖11：SCR傳導

反向阻塞模式

在反向阻塞模式下，陰極相對於陽極為正。這種配置僅允許通過SCR的少量洩漏電流，這不足以將其打開。SCR保持高阻抗狀態並充當開關。如果反向電壓超過故障電壓（VBR），則SCR會經歷雪崩故障，大大增加了反向電流並可能損壞設備。

圖12;SCR反向阻塞模式

不同類型的SCR和軟件包

矽受控整流器（SCR）有各種類型和包裝，每個包裝都根據當前和電壓處理，熱管理和安裝選項量身定制。

離散塑料

離散的塑料包裝具有從基於塑料的半導體延伸的三個銷釘。這些經濟的平面SCR通常支持高達25A和100​​0V。它們的設計用於輕鬆集成到具有多個組件的電路中。在安裝過程中，請確保適當的銷釘對齊和固定焊接到PCB，以保持可靠的電連接和熱穩定性。這些SCR非常適合中低功率應用，在中型應用程序中，緊湊的尺寸和成本效率至關重要。

塑料模塊

塑料模塊在單個模塊中包含多個設備，可支撐高達100A的電流。這些模塊增強了電路的整合，可以直接螺栓固定在散熱器上，以改善熱管理。安裝時，在模塊和散熱器之間施加均勻的熱化合物，以增強散熱。這些模塊適用於空間和熱效率至關重要的中型到高功率應用。

螺柱基礎

螺柱底座SCR具有一個螺紋基座，可用於安全安裝，可提供低的熱阻力和易於安裝。它們支持從5A到150a的電流，具有全電壓功能。但是，這些SCR不能輕易與散熱器隔離，因此在熱設計過程中考慮這一點，以避免意外的電氣連接。擰緊螺柱時遵循適當的扭矩規格，以避免損壞並確保最佳的熱接觸。

圖13：數量距離的SCR螺柱基礎

平基

平基底SCR提供了螺柱鹼基SCR的舒適性和較低的熱電阻，但包括絕緣層以將SCR與散熱器分離。此功能對於需要電氣隔離的應用至關重要，同時保持有效的熱管理。這些SCR支持10A至400A之間的電流。在安裝過程中，確保絕緣層保持完整且未損壞以保持電氣隔離。

按包

按PACK SCRS設計用於高電流（200A及以上）和高壓應用（超過1200V）。它們被包裹在陶瓷包膜中，提供出色的電隔離和優質的熱電阻。這些SCR需要精確的機械壓力，以確保通常使用專門設計的夾具實現適當的電氣接觸和熱導率。陶瓷外殼還可以保護設備免受機械應力和熱循環的侵害，使其適用於可靠性和耐用性至關重要的工業和高功率應用。

實用的操作見解：

使用離散的塑料SCR時，請專注於精確的銷釘對齊和固定焊接以進行穩定連接。對於塑料模塊，請確保偶數施用熱化合物以進行最佳的熱量耗散。使用螺柱底座SCR，遵循扭矩規格，以避免損壞並實現有效的熱接觸。對於平底scr，保持絕緣層的完整性，以確保電隔離。最後，使用按PACK SCRS，使用專門的夾具施加正確的機械壓力，以確保正確接觸和熱量管理。

矽控制的整流器打開法

圖14：SCR操作打開

為了激活SCR傳導，陽極電流必須超過臨界閾值，這是通過增加柵極電流（IG）來啟動再生作用來實現的。

首先，確保門和陰極正確連接到電路，驗證所有連接均安全以避免任何鬆動的觸點或配置錯誤。監視環境和結溫度，因為高溫會影響SCR的性能，因此需要進行足夠的冷卻或散熱措施。

然後，開始使用精確的電流源開始應用受控的門電流（IG），逐漸增加IG，以使SCR響應的平滑過渡和輕鬆監視。隨著IG逐漸增加，觀察陽極電流的初始上升，表明SCR對柵極電流的響應。繼續增加Ig直到觀察到再生作用，以陽極電流的顯著升高為標誌，表明SCR正在進入傳導模式。保持門流足以維持傳導，而不會超過門以防止不必要的功率耗散和潛在損壞。確保在陽極和陰極之間施加適當的電壓，除非故意需要特定應用要求，否則監測該電壓以避免超過斷裂點。

最後，確認SCR已鎖定為傳導模式，即使柵極電流降低，也將保留。如有必要，請在確認SCR鎖定後減少柵極電流（IG），因為它將保持傳導狀態，直到陽極電流下降到保持電流水平以下。

矽控制整流器關閉方法

圖15：SCR操作關閉

關閉矽受控整流器（SCR）涉及將陽極電流降低到保持電流水平以下，這是一種稱為換向的過程。有兩種主要類型的通勤類型：自然和強迫。

當交流供應電流自然降至零時，就會發生自然換向，從而使SCR關閉。該方法是當電流定期交叉零的交流電路中固有的。實際上，想像一個交流電路，電壓和電流波形定期達到零。隨著當前的接近零，SCR在沒有任何外部干預的情況下就停止進行自然進行和關閉。這通常在標準交流電源應用中看到。

強迫換向積極減少陽極電流以關閉SCR。此方法對於直流電路或電流並不自然落到零的情況是必需的。為了實現這一目標，外電路會暫時將電流從SCR轉移或引入反向偏置。例如，在DC電路中，您可能會使用包括電容器和電感器等組件的換向電路，以在SCR上創建瞬時的反向電壓。該動作迫使陽極電流下降到保持水平以下，從而關閉SCR。此技術需要精確的時機和控制才能確保可靠的操作。

矽受控整流器的優勢

高效率和無嘈雜的操作

SCR在沒有機械組件的情況下運行，消除了摩擦和磨損。這會導致無聲的操作，並提高可靠性和壽命。當配備適當的散熱器時，SCR有效地管理散熱耗散，在各種應用中保持高效率。想像一下，在安靜的環境中安裝SCR會破壞機械噪聲；SCR的無聲操作成為一個重要的優勢。此外，在擴展操作期間，沒有機械磨損會導致更少的維護需求和更長的壽命。

極高的開關速度

SCR可以在納秒內打開和關閉，使其非常適合需要快速響應時間的應用。這種高速開關允許精確控制複雜的電子系統中的電力傳遞。例如，在高頻電源中，切換的能力迅速確保系統幾乎可以立即瞬間響應負載條件的變化，從而保持穩定的輸出。

處理高壓和當前評級

SCR僅需要一個小門電流來控制大電壓和電流，從而使它們在電源管理方面高效。它們可以管理高功率負載，使其適用於高壓和電流很常見的工業應用。

緊湊的尺寸

較小的SCR可以輕鬆地集成到各種電路設計中，從而增強了設計靈活性。它們的緊湊和健壯的性質可確保長期內的可靠表現，即使在苛刻的條件下也是如此。實際上，這意味著在密集的控制面板中，SCR可以輕鬆擬合，而無需大量空間，從而可以更簡化和高效的設計。

矽受控整流器的缺點

單向電流流

SCR僅在一個方向上進行電流，這使得它們不適合需要雙向電流流動的應用。這限制了它們在需要雙向控制的交流電路中的使用，例如在逆變器電路或交流電動機驅動器中。

門電流需求

要打開SCR，需要足夠的門電流，需要額外的門驅動電路。這增加了整體系統的複雜性和成本。在實際應用中，確保充分提供門電流涉及精確的計算和可靠的組件，以避免觸發故障。

切換速度

與其他半導體設備（如晶體管）相比，SCR的開關速度相對較慢，因此它們不適合高頻應用。例如，在高速開關電源中，SCR的開關速度較慢會導致效率低下並增加熱管理要求。

關閉時間

一旦打開，SCR一直在進行操作，直到電流降至一定閾值以下。在需要精確控制關閉時間的電路中，例如在相控制的整流器中，這種特徵可能是一個缺點。操作員通常需要設計複雜的換向電路以迫使SCR關閉，從而增加了整體系統的複雜性。

散熱

SCR在操作過程中會產生明顯的熱量，尤其是在處理高電流時。有必要進行足夠的冷卻和散熱機制，例如散熱器和冷卻風扇。

閂鎖效果

打開SCR後，它將鎖定為導電狀態，無法通過門信號關閉。電流必須在固定電流下方下方降低以關閉SCR。這種行為使控制電路複雜化，尤其是在可變負載應用中，維持當前水平的精確控制至關重要。在這種情況下，工程師必須設計電路，以便在需要時可靠地減少電流以關閉SCR。

換向要求

在AC電路中，需要在每個半環節結束時向SCRS換向（關閉），需要額外的換向電路，例如共振電路或強制性換向技術。這增加了系統的複雜性和成本。

對DV/DT和DI/DT的敏感性

SCR對電壓（DV/DT）和電流（DI/DT）的變化率敏感。快速變化會無意中觸發SCR，因此需要使用Snubber電路來防止此類事件。設計人員必須確保適當尺寸並配置為防止虛假觸發，尤其是在嘈雜的電氣環境中。

噪聲敏感性

SCR可能對電噪聲敏感，這可能會導致錯誤的觸發。這需要仔細的設計和其他過濾組件，例如電容器和電感器，以確保可靠的操作。

結論

了解SCR涉及檢查其符號，層組成，終端連接和物質選擇，從而突出了它們在管理高電流和電壓方面的精度。從離散塑料到按下的不同SCR軟件包，適合特定應用，強調適當的安裝和熱管理。操作模式（前向阻止，向前傳導和反向阻塞）闡明了它們以各種電路配置調節功率的能力。掌握SCR激活和停用技術可確保電源控制系統的可靠性能。SCR的高效率，快速切換和緊湊的尺寸使它們在工業和消費電子產品中都至關重要，這代表了電力電子產品的重大進步。

常見問題[常見問題]

1.什麼是使用矽控制的整流器（SCR）？

SCR用於控制電路中的電源。它充當可以打開和關閉電流流動的開關。常見的應用包括調節電動機速度，控制燈光調光器以及在加熱器和工業機械中管理電源。當SCR由小輸入信號觸發時，它允許較大的電流流經，從而在高功率應用中有效。

2.為什麼在SCR中使用矽？

由於其有利的電性能，因此在SCR中使用了矽。它具有高擊穿電壓，良好的熱穩定性，並且可以處理高電流和功率水平。矽還允許創建可以精確控制的緊湊型半導體設備。

3. SCR控制AC還是DC？

SCR可以控制AC和DC功率，但它們更常用於AC應用中。在交流電路中，SCR可以控制電壓的相角，從而調節輸送到負載的功率。此相控制對於諸如調光和運動速度調節之類的應用至關重要。

4.我怎麼知道我的SCR是否有效？

要檢查SCR是否有效，您可以執行一些測試。首先，視覺檢查。尋找任何物理損害，例如燒傷或裂縫。然後，使用萬用表檢查正向和反向電阻。當觸發時，SCR在反向和低電阻中應顯示高電阻。接下來，應用一個小門電流，看看SCR是否在陽極和陰極之間進行。當刪除柵極信號時，如果其正常運行，則應繼續進行SCR。

5.是什麼導致SCR失敗？

SCR失效的常見原因是過電壓，過電流，柵極信號問題和熱應力。過量的電壓會破壞半導體材料。電流過多會導致過熱並損壞設備。重複加熱和冷卻週期會導致機械應力並導致故障。不當或不足的門信號可以防止正確操作。

6. SCR的最低電壓是多少？

觸發SCR所需的最小電壓（稱為柵極觸發電壓）通常約為0.6至1.5伏。這種小電壓足以打開SCR，使其能夠在陽極和陰極之間傳導更大的電流。

7.什麼是SCR的例子？

SCR的一個實際例子是2N6509。該SCR用於各種電源控制應用，例如光燈光，電動機速度控制和電源。它可以處理800V的峰值電壓和25a的連續電流，使其適用於工業和消費電子產品。