浅析可控硅过零触发电路原理

王赵鹏

渭南市渭河生态区保护中心

摘要：可控硅作为大功率电力电子器件在电气工程中得到广泛应用，其触发控制方式在许多交流设备中常采用过零触发方式，本文分析了单双向可控硅特性及过零触发电路原理。

关键词：可控硅 过零触发电路调压调功

一、可控硅

可控硅是可控硅整流器的简称，是一种大功率开关型半导体器件，其有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且工作过程可以控制并被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电力电子电路。双向可控硅是在可控硅的基础上发展起来的，用于对交流电进行调控，具有单控制极触发、双向导通的功能[1]。通过控制双向可控硅的导通角, 或者通过过零触发，可以对交流负载的功率进行调控,实现对交流用电器的自动控制，在交流应用方面,传统的单向可控硅已逐渐被双向可控硅取代。可控硅从导通方向上最常见的是单向可控硅、双向可控硅。

1.1单向可控硅及特性

单向可控硅由四层半导体材料组成，有三个PN结，对外有三个电极，如图1.1所示，第一层P型半导体引出的电极叫阳极A，第三层P型半导体引出的电极叫控制极G，第四层N型半导体引出的电极叫阴极K。有阳极A、阴极K、控制极G三个引出脚。只有当单向可控硅阳极A与阴极K之间加有正向电压，同时控制极G与阴极间加上所需的正向触发电压时，方可被触发导通。此时A、K 间呈低阻导通状态，阳极A与阴极K间压降约1V。单向可控硅导通后，控制极G即使失去触发电压，只要阳极A 和阴极K之间仍保持正向电压，单向可控硅继续处于低阻导通状态。只有把阳极A电压去掉或阳极A与阴极K间电压极性发生改变（交流过零）时，单向可控硅才由低阻导通状态转换为高阻截止状态。单向可控硅一旦截止，即使阳极A和阴极K间重新加上正向电压，仍需在控制极G和阴极K间重新加上触发电压方可导通。单向可控硅的导通与截止状态相当于开关的闭合与断开状态。可控硅原理[2]可以看成P1N1P2N2 四层三端结构元件，共有三个PN 结，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管。单向可控硅有其独特的特性：当阳极接反向电压，或者阳极接正向电压但控制极不加电压时，它都不导通，而阳极和控制极同时接正向电压时，它就会变成导通状态。一旦导通，控制电压便失去了对它的控制作用，不论有没有控制电压，也不论控制电压的极性如何，将一直处于导通状态，要想关断，只有把阳极电压降低到某一临界值或者反向。

1.2双向可控硅及特性

双向可控硅有第一阳极、第二阳极、控制极三个引出脚，第一阳极与第二阳极之间，无论所加电压极性是正向还是反向，只要控制极和第一阳极间加有正负极性不同的触发电压，就可触发导通呈低阻状态，第一阳极、第二阳极间压降约为1V。双向可控硅一旦导通，即使失去触发电压，也能继续保持导通状态。当第一阳极、第二阳极电压极性改变且没有触发电压或电流小于维持电流，双向可控硅截止，此时只有重新加触发电压方可导通。双向可控硅可以等效认为是由两个传统的单向可控硅反向并联,集成于同一个半导体芯片上而形成的器件，同时调整结构和工艺,使两只单向可控硅的控制极合二为一,简化了控制方法。与单向可控硅的区别是，双向可控硅控制极上触发脉冲的极性改变时，其导通方向就随着极性的变化而改变，在控制极上的触发脉冲的大小或时间改变时，就能改变其导通电流的大小。从而控制交流电负载功率。双向可控硅等效原理如图1.2，在正弦电压的正负半周，两只单向可控硅在门极信号触发下轮流导通，实现了交流电对负载的加入，采用移相触发，负载得到的是在不同导通角下的波形，采用过零触发负载得到完整正弦波。

二、过零触发器

采用双向可控硅过零触发电路，其硬件电路的功能是进行工频电压的正、负过零检测,过零检测电路的最终目标是实现当50Hz的交流电压通过零点时取出其脉冲。由过零脉冲发生器检测到的过零脉冲，可作为外部输人单片机的计数脉冲，也可作为可控硅的触发信号。过零触发发生器电路如图2.1所示：

采用光电藕合元件实现该电路，只有在电网电压正弦波过零值时，两个二极管同时截止不发光，使两个光藕合三极管也截止，输出为高电位约5伏正脉冲。其它时间总有一个二极管导通，使输出为零伏。因此，在正弦电压过零处实现检测，使之在工频正弦波每个过零时刻产生一个正脉冲，周期为工频半周期l0ms。

图2.2，采用双向可控硅实现负载在交流电的正负半周得到完整正弦电压，保证了电源电压在工频周期内完整可靠的接入。在电源电压过零时，U1输出高电位约5伏正脉冲，实现过零检测，同时高电平5V脉冲使光电耦合器U2导通，并使双向可控硅BCR导通，负载被接通，非过零处U1输出0,无触发脉冲，但可控硅不能断开，在正弦波的下一个过零处，又有触发脉冲5V输入至U2, 可控硅持续导通，负载上得到完整正弦波电压。U1电源与负载电源为同一电源，均为220V交流电，因此接通负载后的电源为正弦波，图中R

4、C2起到阻容吸收保护作用，实际当中，U1与U2之间常用单片机控制，亦可实现零点检测、调压调功作用，可以通过单片机等控制触发脉冲有无，触发可控硅导通与断开，调节一定周期内导通与关断的正弦波数，改变加在负载上的电源电压从而实现调节功率[3]。图2.3为过零触发电路波形图。

 

结语：本文主要介绍了双向可控硅过零触发电路原理，电路简单实用，可以制成交流系统理想的开关，在调压调功应用中可用来控制电炉炉温、大功率电机等负载，具有成本低、效果明显、可靠性强等特点。

参考文献

[1]白雪峰，李沛.双向晶闸管的简易测试及在温控系统中的

应用[J].河北北方学院学报（自然科学版），2005，21（3）：10～12.

[2]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，

2000.113～119.

[3]康华光，邹寿彬，电子技术基础[M].北京：高等教育出

版社，2000.61～64.