可控硅整流器（SCR）指南：工作原理、类型和应用

可控硅整流器（SCR）是一种关键的功率半导体器件，广泛用于控制电气和工业系统中的高压和电流。它能够有效地切换和调节功率，使其在转换器、电机驱动器和自动化电路中非常有用。本文清晰、结构化地讲解了SCR的构造、工作原理、特点、类型和实际应用。

1.什么是可控硅整流器（SCR）

2.SCR的构造和标志

3.SCR的作

Figure 1. Silicon Controlled Rectifier (SCR)

什么是可控硅整流器（SCR）？

可控硅整流器（SCR）是一种三端功率半导体器件，用于控制和切换电路中的高压和电流。它是晶流管家族的成员，具有四层PNPN结构。与简单的二极管不同，SCR 允许受控开关，因为它仅在施加栅极触发信号时导通。由于其高功率处理能力和效率，它广泛应用于AC/DC转换器、电机驱动器、电池充电器和工业自动化。

SCR的构造和符号

Figure 2. Constructure of SCR

可控硅整流器（SCR）采用四层交替的 P 型和 N 型半导体材料构建，形成具有三个结的 PNPN 结构：J1、J2 和 J3。它有三个终端：

• 阳极（A）：连接到外部 P 层

• 阴极（K）：连接到外部 N 层

• 浇口（G）：连接到内部P层，用于触发

在内部，SCR 可以建模为两个互连的晶体管（一个 PNP 和一个 NPN），形成再生反馈环路。这种内部结构解释了SCR的闭锁行为，即使在栅极信号被移除后，它也会继续导通。

Figure 3. Symbol of SCR

SCR 符号类似于二极管，但包括一个用于控制的栅极端子。当器件通过栅极触发时，电流从阳极流向阴极。

SCR的作

SCR 基于阳极-阴极电压和栅极信号在三种电气状态下工作：

反向阻塞模式

Figure 4. Reverse Blocking Mode

当阳极相对于阴极为负时，结 J1 和 J3 反向偏置。只有很小的漏电流流过。超过反向电压限制可能会损坏设备。

前向阻塞模式（关闭状态）

Figure 5. Forward Blocking Mode (OFF State)

阳极正极和阴极负极，结 J1 和 J3 正向偏置，而 J2 反向偏置。即使施加正向电压，SCR 在此状态下仍保持关闭状态，从而阻止电流流动，直到提供触发器。

正向导通模式（ON状态）

Figure 6. Forward Conduction Mode (ON State

在正向偏置中施加栅极脉冲会注入载流子，使结J2正向偏置，从而允许导通。一旦导通，SCR 就会锁存并继续导通，即使在栅极信号被移除后，只要电流保持在保持电流以上。

SCR的VI特性

Figure 7. V-I Characteristics of SCR

V-I 特性定义了器件电流如何响应不同工作区域的施加电压：

• 反向阻塞区域：在反向偏置过的电流最小，直到发生击穿。

• 正向阻断区域：正向电压增加，但电流保持低水平，直到达到正向击穿电压（VBO）。

• 正向导通区域：在栅极脉冲触发后，SCR 迅速过渡到低电阻导通状态，并具有较小的正向压降（1–2V）。

增加栅极电流会降低正向击穿电压，从而允许更早导通。这在相控交流电路中很有用。

SCR的开关特性

开关特性描述了 SCR 在 OFF 和 ON 状态之间转换期间的行为：

• 导通时间（吨）：SCR 在栅极脉冲后从 OFF 完全切换到 ON 所需的时间。它由延迟时间、上升时间和扩展时间组成。更快的导通速度可确保转换器和逆变器的高效开关。

• 关断时间（tq）：导通停止后，由于存储的电荷载流子，SCR 需要时间恢复其前向阻断能力。这种延迟在高频应用中是必需的，并且在直流系统中需要外部换向电路。

SCR 的类型

SCR 有不同的结构样式和性能等级，以满足各种电压、电流和开关应用的要求。下面是根据要求解释的 SCR 的主要类型，而不使用表格格式。

分立塑料 SCR

Figure 8. Discrete Plastic SCR

这是一种小型、低功耗的 SCR，通常封装在 TO-92、TO-126 或 TO-220 外壳中。它经济实惠，常用于低电流电子电路。这些 SCR 非常适合简单的交流开关、低功耗控制系统、调光器和电池充电器电路。

塑料模块 SCR

Figure 9. Plastic Module SCR

该类型设计用于中高电流处理。它封装在一个紧凑的塑料模块中，提供电绝缘和易于安装。这些 SCR 广泛应用于 UPS 系统、工业电源控制单元、焊机和电机速度控制器。

压包 SCR

Figure 10. Press Pack SCR

压包 SCR 是内置在坚固的金属圆盘状封装中的重型设备。它们具有出色的热性能和高电流能力，并且不需要焊接。相反，它们在压力下夹在散热器之间，使其适用于工业驱动、牵引系统、高压直流输电和电网等高可靠性应用。

快速开关SCR

Figure 11. Fast Switching SCR

快速开关 SCR，也称为逆变级 SCR，专为在更高频率下运行的电路而设计。与标准 SCR 相比，它们的关断时间短，开关损耗更低。这些器件通常用于斩波器、DC-DC 转换器、高频逆变器和脉冲电源。

SCR的开启方法

Figure 12. Turn-ON Methods of SCR

触发 SCR 传导的不同方法包括：

栅极触发（最常见）：低功率栅极脉冲以受控方式打开 SCR。用于大多数工业应用。

正向电压触发：如果正向电压超过击穿电压，SCR 在没有栅极脉冲的情况下导通，由于设备受力，通常避免。

热触发（不需要）：温度过高可能会无意中开始传导;必须避免冷却不当。

光触发（LASCR）：光敏 SCR 在高压隔离应用中使用光子触发传导。

dv/dt 触发（不需要）：正向电压的快速上升可能会因结电容而导致意外导通。缓冲电路可以防止这种情况发生。

SCR的优点和局限性

SCR的优点

• 高功率和电压处理：SCR 能够控制大量功率，通常在数百到数千伏和安培的范围内，使其适用于电机驱动、高压直流输电和电源转换器等重工业应用。

• 高效率和低传导损耗：一旦导通，SCR 的导电电压降非常小（通常为 1-2 伏），从而实现低功耗和高运行效率。

• 栅极电流要求小：该器件只需在栅极端子处施加较小的触发电流即可导通，允许简单的低功耗控制电路切换大功率负载。

• 坚固的结构和经济高效的设计：SCR 机械坚固、热稳定，旨在承受高浪涌电流。与其他功率半导体开关相比，其简单的内部结构也使其相对便宜。

• 适用于交流电源控制：由于 SCR 在交流电流超过零（自然换向）时自然关闭，因此它们非常适合交流相位控制应用，例如调光器、加热器控制器和交流稳压器。

SCR 的局限性

• 单向导通：SCR 仅在正向方向上传导电流。除非与二极管等附加组件一起使用，否则它无法有效阻挡反向电流，从而限制了其在某些交流控制电路中的使用。

• 无法使用门端子关闭：虽然 SCR 可以通过门触发 ON，但它不会响应任何关闭的门信号。电流必须低于保持电流，或者必须在直流电路中使用强制换向技术。

• 直流应用中需要换向电路：在纯直流电路中，SCR 不会获得自然电流零点来关闭。需要外部换向电路，这增加了电路的复杂性和成本。

• 开关速度有限：与 MOSFET 或 IGBT 等现代半导体开关相比，SCR 相对较慢。这使得它们不适合高频开关应用。

• 对高 dv/dt 和过压条件敏感：SCR 两端的电压快速上升或瞬态电压过高会触发误导通，影响可靠性。需要缓冲电路和适当的保护组件来防止失火和设备故障。

SCR的应用

• 受控整流器（交流到直流转换器）——用于电池充电和可变直流电源。

• 交流电压控制器 – 调光器、风扇速度控制和加热器调节器。

• 直流电机速度控制 – 用于变速直流驱动器。

• 逆变器和转换器 – 用于直流到交流电源转换。

• 过压保护（撬棍电路）——保护电源免受电压浪涌的影响。

• 静态开关/固态继电器 – 快速开关，无机械磨损。

• 功率调节器 – 用于感应加热和工业炉。

• 电机软启动器 – 控制电机启动期间的浪涌电流。

• 输电系统——用于 HVDC（高压直流）系统。

SCR 与 GTO 比较

Figure 13. SCR vs GTO Comparison

栅极关断晶闸管（GTO）是晶闸管家族的另一个成员，经常与 SCR 进行比较。

参数	SCR（可控硅整流器）	GTO（栅极关断晶闸管）
关断控制	需要外部换向	可通过门信号关闭
栅极电流	需要小脉冲	需要高栅极电流
开关	仅门开启	门开启和关断
开关速度	中等	更快
动力处理	非常高	高
价格	低	昂贵
应用	受控整流器、交流控制器	逆变器、斩波器、高频驱动器