可控矽整流器（SCR）指南：工作原理、類型和應用

可控矽整流器（SCR）是一種關鍵的功率半導體器件，廣泛用於控制電氣和工業系統中的高壓和電流。它能夠有效切換和調節功率，使其在轉換器、馬達驅動器和自動化電路中非常有用。本文以清晰、結構化的方式解釋了SCR的構造、工作原理、特點、類型和實際應用。

1.什麼是可控矽整流器（SCR）

2.SCR 的結構和符號

3.SCR的運作

Figure 1. Silicon Controlled Rectifier (SCR)

什麼是可控矽整流器（SCR）？

可控矽整流器（SCR）是一種三端功率半導體器件，用於控制和切換電路中的高壓和電流。它是晶流管家族的成員，具有四層PNPN結構。與簡單的二極管不同，SCR 允許受控開關，因為它僅在施加柵極觸發信號時才會導通。由於其高功率處理能力和效率，廣泛應用於AC/DC轉換器、電機驅動器、電池充電器和工業自動化。

SCR的結構和符號

Figure 2. Constructure of SCR

矽控整流器（SCR）採用P型和N型半導體材料的四層交替層構建，形成具有三個結的PNPN結構：J1、J2和J3。它有三個終端：

• 陽極（A）：連接到外部 P 層

• 陰極（K）：連接到外部 N 層

• 閘極（G）：連接內P層，用於觸發

在內部，SCR 可以建模為兩個互連的晶體管（一個 PNP 和一個 NPN），形成再生反饋迴路。這種內部結構解釋了 SCR 的鎖存行為，即使在柵極信號被移除後，它仍繼續導通。

Figure 3. Symbol of SCR

SCR 符號類似於二極管，但包括一個用於控制的柵極端子。當器件通過柵極觸發時，電流從陽極流向陰極。

SCR的運作

SCR 根據陽極-陰極電壓和柵極信號在三種電氣狀態下運行：

反向阻塞模式

Figure 4. Reverse Blocking Mode

當陽極相對於陰極為負時，結 J1 和 J3 反向偏置。只有很小的漏電流流過。超過反向電壓限制可能會損壞設備。

正向阻塞模式（關閉狀態）

Figure 5. Forward Blocking Mode (OFF State)

陽極正極和陰極負極，結 J1 和 J3 正向偏置，而 J2 反向偏置。即使施加了正向電壓，SCR 在這種狀態下仍保持關閉狀態，從而阻止電流流動，直到提供觸發器。

正向導通模式（ON狀態）

Figure 6. Forward Conduction Mode (ON State

在正向偏置中施加柵極脈衝會注入正向偏置結 J2 的載流子，從而允許導通。一旦導通，SCR 就會鎖存並繼續導通，即使在柵極信號被移除後，只要電流保持在保持電流以上。

SCR的VI特性

Figure 7. V-I Characteristics of SCR

V-I 特性定義了設備電流如何響應不同工作區域的施加電壓：

• 反向阻塞區域：在反向偏置過最小電流，直到發生擊穿。

• 正向阻斷區域：正向電壓增加，但電流保持低水平，直到達到正向突破電壓（VBO）。

• 正向導通區域：在閘極脈衝觸發後，SCR 快速過渡到低電阻導通狀態，並具有較小的正向壓降（1–2V）。

增加閘極電流會降低正向擊穿電壓，從而可以更早導通。這在相控交流電路中很有用。

SCR的開關特性

開關特性描述了 SCR 在 OFF 和 ON 狀態之間轉換期間的行為：

• 開啟時間（噸）：閘極脈衝後 SCR 從 OFF 完全切換到 ON 所需的時間。它由延遲時間、上升時間和傳播時間組成。更快的開啟可確保轉換器和逆變器的高效開關。

• 關斷時間（tq）：導通停止後，由於存儲的電荷載流子，SCR 需要時間恢復其前向阻斷能力。這種延遲在高頻應用中是需要的，並且直流系統中需要外部換向電路。

SCR 的類型

SCR 有不同的結構風格和性能等級，以滿足各種電壓、電流和開關應用的要求。以下是根據要求解釋的 SCR 的主要類型，無需使用表格格式。

離散塑膠 SCR

Figure 8. Discrete Plastic SCR

這是一種小型、低功耗 SCR，通常封裝在 TO-92、TO-126 或 TO-220 外殼中。它經濟實惠，常用於低電流電子電路。這些 SCR 非常適合簡單的 AC 切換、低功率控制系統、調光器和電池充電器電路。

塑膠模組SCR

Figure 9. Plastic Module SCR

此類型專為中高電流處理而設計。它封裝在緊湊的塑料模塊中，提供電氣絕緣和易於安裝。這些 SCR 廣泛應用於 UPS 系統、工業電源控制單元、焊接機和馬達速度控制器。

新聞包 SCR

Figure 10. Press Pack SCR

壓包 SCR 是內置在堅固的金屬圓盤狀封裝中的重型設備。它們具有出色的熱性能和高電流能力，並且不需要焊接。相反，它們在壓力下夾在散熱器之間，使其適用於工業驅動器、牽引系統、HVDC 電力傳輸和電網等高可靠性應用。

快速切換 SCR

Figure 11. Fast Switching SCR

快速開關 SCR，也稱為逆變級 SCR，專為在更高頻率下運行的電路而設計。與標準 SCR 相比，它們具有較短的關斷時間並降低了開關損耗。這些元件通常用於斬波器、DC-DC 轉換器、高頻逆變器和脈衝電源。

SCR的開啟方法

Figure 12. Turn-ON Methods of SCR

觸發 SCR 傳導的不同方法包括：

柵極觸發（最常見）：低功率柵極脈衝以受控方式打開 SCR。用於大多數工業應用。

正向電壓觸發：如果正向電壓超過擊穿電壓，SCR 在沒有柵極脈衝的情況下導通，由於設備承受壓力，通常會避免。

熱觸發（不需要）：溫度過高可能會無意中開始傳導;必須避免冷卻不當。

光觸發（LASCR）：光敏 SCR 在高壓隔離應用中使用光子觸發傳導。

dv/dt 觸發（不需要）：正向電壓的快速上升可能會因結電容而導致意外導通。緩衝電路可以防止這種情況發生。

SCR的優點和局限性

SCR的優點

• 高功率和電壓處理：SCR 能夠控制大量功率，通常在數百至數千伏特和安培的範圍內，使其適用於馬達驅動器、高壓直流輸電和電源轉換器等重工業應用。

• 高效率和低傳導損耗：一旦開啟，SCR 的導通電壓非常小（通常為 1-2 伏），從而實現低功耗和高運行效率。

• 柵極電流要求小：該器件只需在柵極端子處產生很小的觸發電流即可導通，允許簡單的低功率控制電路切換高功率負載。

• 堅固的結構和經濟高效的設計：SCR 機械堅固、熱穩定，旨在承受高突波電流。與其他功率半導體開關相比，其簡單的內部結構也使其相對便宜。

• 適用於交流電源控制：由於 SCR 在交流電流過零（自然換向）時自然關閉，因此它們非常適合交流相位控制應用，例如調光器、加熱器控制器和交流穩壓器。

SCR 的局限性

• 單向傳導：SCR 僅在正向方向上傳導電流。除非與二極管等附加組件一起使用，否則它無法有效阻斷反向電流，從而限制了其在某些交流控制電路中的使用。

• 無法使用閘極端子關閉：雖然 SCR 可以透過閘極觸發開啟，但它不會回應任何關閉閘極訊號。電流必須低於保持電流，或者必須在直流電路中使用強制換向技術。

• 直流應用中需要換向電路：在純直流電路中，SCR 不會獲得自然電流零點來關閉。需要外部換向電路，增加了電路的複雜性和成本。

• 開關速度有限：與 MOSFET 或 IGBT 等現代半導體開關相比，SCR 相對較慢。這使得它們不適合高頻開關應用。

• 對高 dv/dt 和過壓條件敏感：SCR 兩端電壓的快速上升或過高的瞬態電壓可能會觸發誤導通，影響可靠性。需要緩衝電路和適當的保護組件來防止失火和設備故障。

SCR的應用

• 受控整流器（交流到直流轉換器）——用於電池充電和可變直流電源。

• 交流電壓控制器 – 調光器、風扇速度控制和加熱器調節器。

• 直流電機速度控制 – 用於變速直流驅動器。

• 逆變器和轉換器 – 用於直流到交流電源轉換。

• 過壓保護（撬棍電路）——保護電源免受電壓浪湧的影響。

• 靜態開關/固態繼電器 – 快速開關，無機械磨損。

• 功率調節器 – 用於感應加熱和工業爐。

• 馬達軟啟動器 – 控制馬達啟動期間的浪湧電流。

• 輸電系統 – 用於 HVDC（高壓直流電）系統。

SCR 與 GTO 比較

Figure 13. SCR vs GTO Comparison

閘極關斷晶針管（GTO）是晶閘管家族的另一個成員，經常與 SCR 進行比較。

參數	SCR（可控矽整流器）	GTO（閘極關閉晶閘管）
關斷控制	需要外部換向	可透過閘極訊號關閉
閘極電流	需要小脈衝	需要高閘極電流
切換	僅門開啟	閘極開啟和關閉
切換速度	中等	更快
動力處理	非常高	高
費用	低	昂貴
應用	受控整流器、AC 控制器	逆變器、斬波器、高頻驅動器