可控硅，即晶閘管，作為一種功率半導(dǎo)體器件，憑借其能夠在高電壓、大電流條件下實(shí)現(xiàn)電能控制的特性，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、電力電子等眾多領(lǐng)域。在交流電路中，可控硅可用于調(diào)壓、整流、變頻等多種功能。然而，要實(shí)現(xiàn)精確的電能控制，不僅需要掌握可控硅的導(dǎo)通方法，更要深入理解其在交流通路下的關(guān)閉機(jī)制。本文將詳細(xì)探討可控硅在交流通路情況下的關(guān)閉原理與具體實(shí)現(xiàn)方法。

可控硅的工作原理基礎(chǔ)

可控硅是一種四層三端半導(dǎo)體器件，有陽(yáng)極(A)、陰極(K)和門(mén)極(G)三個(gè)電極。其工作基于內(nèi)部的 PNPN 四層結(jié)構(gòu)形成的兩個(gè)等效三極管(P1N1P2 和 N1P2N2)的相互作用。在正常情況下，可控硅處于阻斷狀態(tài)，電流無(wú)法通過(guò)。當(dāng)在門(mén)極施加合適的正向觸發(fā)信號(hào)時(shí)，兩個(gè)等效三極管形成正反饋，可控硅迅速?gòu)淖钄酄顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，電流可以從陽(yáng)極流向陰極。

可控硅一旦導(dǎo)通，即使去除門(mén)極觸發(fā)信號(hào)，只要陽(yáng)極電流大于維持電流(IH)，它就會(huì)繼續(xù)保持導(dǎo)通狀態(tài) ，這一特性與普通晶體管有很大區(qū)別，也使得可控硅在交流電路中的關(guān)閉不能簡(jiǎn)單地通過(guò)撤去觸發(fā)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

交流通路下可控硅關(guān)閉的關(guān)鍵因素

在交流電路中，電流的大小和方向會(huì)隨時(shí)間按照正弦規(guī)律周期性變化。可控硅的關(guān)閉與交流電源的周期性變化密切相關(guān)。當(dāng)可控硅處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，只有在交流電流過(guò)零的瞬間，可控硅才具備關(guān)閉的可能性。但電流過(guò)零并不意味著可控硅必然關(guān)閉，還需要滿(mǎn)足其他條件。

電流過(guò)零后，可控硅的內(nèi)部載流子需要一定時(shí)間進(jìn)行復(fù)合和消散，以恢復(fù)其阻斷能力。如果在電流過(guò)零后，陽(yáng)極電壓恢復(fù)速度過(guò)快，超過(guò)了可控硅的臨界電壓上升率(dv/dt)，可控硅可能會(huì)重新導(dǎo)通，無(wú)法成功關(guān)閉。此外，溫度、器件老化等因素也會(huì)對(duì)可控硅的關(guān)閉過(guò)程產(chǎn)生影響。

交流通路下可控硅的關(guān)閉方法

自然過(guò)零關(guān)閉

自然過(guò)零關(guān)閉是交流電路中可控硅最常用的關(guān)閉方式。在正弦交流電路中，電流每個(gè)周期有兩次過(guò)零點(diǎn)。當(dāng)可控硅導(dǎo)通后，隨著交流電流逐漸減小至零，可控硅內(nèi)部的載流子濃度降低，正反饋?zhàn)饔脺p弱。在電流過(guò)零后，只要陽(yáng)極電壓的恢復(fù)速度在可控硅允許的范圍內(nèi)，并且維持電流以下的時(shí)間足夠長(zhǎng)，使內(nèi)部載流子充分復(fù)合，可控硅就能恢復(fù)阻斷狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)關(guān)閉。這種方法簡(jiǎn)單、可靠，無(wú)需額外的控制電路，但需要精確考慮可控硅的參數(shù)特性，以確保關(guān)閉的穩(wěn)定性。

強(qiáng)迫關(guān)斷

在一些特殊應(yīng)用場(chǎng)景中，如需要快速關(guān)閉可控硅或者交流電流不能自然過(guò)零的情況下，就需要采用強(qiáng)迫關(guān)斷的方法。常見(jiàn)的強(qiáng)迫關(guān)斷方式有以下幾種：

附加換向電路：通過(guò)在可控硅電路中增加換向電容和電感等元件組成換向電路。當(dāng)需要關(guān)閉可控硅時(shí)，利用換向電容放電產(chǎn)生與可控硅電流方向相反的脈沖電流，使可控硅中的電流迅速下降到維持電流以下，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)斷。這種方法能夠在交流電流不過(guò)零的情況下強(qiáng)制關(guān)斷可控硅，但電路結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，成本較高，且需要精確設(shè)計(jì)換向電路的參數(shù)。

采用輔助可控硅：利用輔助可控硅與主可控硅配合工作。當(dāng)需要關(guān)閉主可控硅時(shí)，觸發(fā)輔助可控硅導(dǎo)通，使主可控硅兩端的電壓迅速降低，電流減小到維持電流以下，實(shí)現(xiàn)關(guān)斷。輔助可控硅的導(dǎo)通時(shí)間和觸發(fā)信號(hào)需要精確控制，以確保主可控硅可靠關(guān)閉，同時(shí)避免輔助可控硅出現(xiàn)異常工作情況。

實(shí)際應(yīng)用中的注意事項(xiàng)

在實(shí)際應(yīng)用中，為了確保可控硅在交流通路下能夠可靠關(guān)閉，需要注意以下幾點(diǎn)：

合理選擇可控硅參數(shù)：根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的電壓、電流、頻率等要求，選擇合適額定電壓、額定電流、維持電流、臨界電壓上升率等參數(shù)的可控硅器件。確?？煽毓柙谡９ぷ骱完P(guān)閉過(guò)程中不會(huì)因參數(shù)不匹配而損壞。

優(yōu)化電路設(shè)計(jì)：在設(shè)計(jì)電路時(shí)，充分考慮可控硅的關(guān)閉條件，合理布局元件，減少電磁干擾對(duì)可控硅工作的影響。對(duì)于采用強(qiáng)迫關(guān)斷方式的電路，要精確設(shè)計(jì)換向電路或輔助可控硅的控制電路，確保關(guān)斷的可靠性和穩(wěn)定性。

溫度控制：可控硅的性能會(huì)受到溫度的影響，過(guò)高的溫度會(huì)降低其關(guān)閉能力和使用壽命。因此，需要采取有效的散熱措施，如安裝散熱片、風(fēng)扇等，將可控硅的工作溫度控制在合理范圍內(nèi)。

結(jié)論

可控硅在交流通路中的關(guān)閉是一個(gè)涉及器件特性、電路設(shè)計(jì)和工作條件等多方面因素的復(fù)雜過(guò)程。自然過(guò)零關(guān)閉是最基礎(chǔ)、常用的方法，而強(qiáng)迫關(guān)斷則為特殊應(yīng)用場(chǎng)景提供了解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，只有深入理解可控硅的關(guān)閉原理，合理選擇器件參數(shù)，優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，并做好溫度等環(huán)境因素的控制，才能確?？煽毓柙诮涣麟娐分蟹€(wěn)定、可靠地工作，實(shí)現(xiàn)精確的電能控制，為工業(yè)生產(chǎn)和電力電子設(shè)備的正常運(yùn)行提供有力保障。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)可控硅關(guān)閉技術(shù)的研究也將不斷深入，為其在更多領(lǐng)域的應(yīng)用拓展提供支持。