可控硅(晶闸管)基础知识及应用电路Multisim电路仿真

目录

一、可控硅基础知识

1.1 概述

1.2 晶闸管主要类型

1.2.1 单向可控硅（SCR）

1.2.1.1 单向晶闸管基本结构与符号

1.2.2 双向可控硅（TRIAC）

1.2.2.1 双向晶闸管基本结构与符号

1.2.3 特殊类型

1.3 单向晶闸管工作原理

1.3.1 单向晶闸管等效模型

1.3.2 单向晶闸管工作原理

1.3.2.1 单向晶闸管导通过程

1.3.2.2 单向晶闸管导通后断开

1.3.2.3单向晶闸管导通过程总结表

1.4 双向晶闸管工作原理

1.4.1 双向晶闸管等效模型

1.4.2 双向晶闸管工作原理

双向晶闸管四象限触发

1.5 单向晶闸管和双向晶闸管的伏安特性

1.5.1 单向晶闸管的伏安特性

一、基本定义

二、正向特性（UAK​>0，图中右侧红、绿曲线）

三、反向特性（UAK​<0，图中左侧黑色曲线）

四、关键参数总结

1.5.2 双向晶闸管的伏安特性

一、整体特征：双向对称

二、第一象限特性（UT1−T2​>0，即 T1 电位高于 T2）

三、第三象限特性（UT1−T2​<0，即 T2 电位高于 T1）

四、核心特点与关键参数

1.6 可控硅关键电气参数

1.7 对比总结

二、晶闸管应用电路及Multisim电路仿真

2.1 单向晶闸管应用电路及Multisim电路仿真

2.1.1 单向晶闸管整流电路

2.1.1.1 单相半波可控整流电路

单相半波可控整流电路基础知识

单相半波可控整流电路Multisim电路仿真

2.1.1.2 单相桥式全控整流电路

单相桥式全控整流电路基础知识

单相桥式全控整流电路Multisim电路仿真

2.1.2 单向晶闸管逆变电路

2.1.2.1 单向晶闸管逆变电路基础知识

一、电路基础

二、工作原理详解

三、关键特性与注意事项

四、典型应用场景

2.1.2.2 单向晶闸管逆变电路Multisim电路仿真

一、仿真电路结构解读

二、仿真工作原理

三、仿真波形解读

2.1.3 单向晶闸管开关电路

2.1.3.1 单向晶闸管开关电路基础知识

一、电路结构与核心元件

二、工作原理详解

三、核心特性与关键要点

四、常见应用场景

五、关断方式说明

2.1.3.2 单向晶闸管开关电路Multisim电路仿真

一、初始状态：晶闸管关断（第 1 个电路）

二、导通触发过程（第 1→第 2 个电路）

三、导通保持阶段（第 2→第 3 个电路）

四、关断过程（第 3→第 4 个电路）

2.1.4 单向晶闸管调压电路

2.1.4.1 单向晶闸管调压电路基础知识

1. 电路结构与核心器件

2. 工作原理（核心逻辑）

3. 调压的本质：移相控制

2.1.4.2 单向晶闸管调压电路基础知识

1. 触发角 α = 0°

2. 触发角 α = 90°

3. 触发角 α = 180°（第三张图）

总结对比

2.2 双向晶闸管应用电路及Multisim电路仿真

2.2.1 双向晶闸管交流调压

2.2.1.1 双向晶闸管交流调压基础知识

一、电路核心组成

二、工作原理（移相调压）

三、调压过程（调节电位器）

四、电路特点

2.2.1.2 双向晶闸管交流调压电路Multisim电路仿真

一、不同调节档位的仿真波形解析

二、仿真与实际电路的对应关系

2.2.2 双向可控硅交流控制电路

2.2.2.1 双向可控硅交流控制电路基础知识

2.2.2.2 双向可控硅交流控制Multisim电路仿真

摘要：

本文系统介绍了可控硅（晶闸管）的基础知识及应用电路。主要内容包括：1. 可控硅基础知识：详细阐述了单向可控硅（SCR）和双向可控硅（TRIAC）的结构、工作原理、伏安特性和关键参数，对比了两者的特性差异。2. 单向可控硅应用电路：通过Multisim仿真展示了单相半波/全波可控整流电路、逆变电路、开关电路和调压电路的工作原理及波形特征。3. 双向可控硅应用电路：重点分析了交流调压电路和交流控制电路，演示了通过RC移相实现调压的过程。4. 控制原理：深入讲解了触发角控制、过零触发等关键技术，以及不同负载条件下的工作特性。本文通过理论分析与仿真验证相结合的方式，全面呈现了可控硅器件在各种电力电子电路中的应用特点。

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一、可控硅基础知识

1.1 概述

可控硅是一种晶闸管类功率半导体开关器件，小电流触发即可控制大电流通断，导通后需电流接近零才能关断，常用于调压、整流、交流开关等电力控制场景。

单向可控硅（SCR）与双向可控硅（TRIAC）对比概述

1. 类型

单向可控硅（SCR）：属于单向晶闸管，只能单方向导通。

双向可控硅（TRIAC）：属于双向晶闸管，正反两个方向均可导通。

2. 结构

单向可控硅：四层三端（PNPN）结构，等效为一对互补三极管。

双向可控硅：相当于两个单向可控硅反向并联集成，可双向导通。

3. 工作原理

单向可控硅：阳极加正向电压，门极加正向触发信号导通，导通后门极失控，需电流降至维持电流以下才关断。

双向可控硅：主电极间加交流电压，门极无论正负触发均可导通，交流过零时自动关断。

4. 特点

单向可控硅：耐压高、电流大、抗干扰强，但只能单向控制。

双向可控硅：交流控制方便、电路简单，但耐压电流相对较低，抗干扰稍弱。

5. 用途

单向可控硅：整流、直流开关、大功率调压、逆变器等。

双向可控硅：交流调光、调速、调温、家用交流开关控制等。

1.2 晶闸管主要类型

1.2.1 单向可控硅（SCR）

1.2.1.1 单向晶闸管基本结构与符号

单向晶闸管的基本结构示意图与符号如上图所示：

结构方面：

四层半导体（P1-N1-P2-N2）和三个 PN 结（J1/J2/J3）。

电极方面：

阳极 A：接最外层 P1

阴极 K：接最外层 N2

门极 G：接中间 P2（控制端）

电流方面：

A→K单向

触发方式：

正脉冲

用途方面：

可控整流、直流开关、直流调压

1.2.2 双向可控硅（TRIAC）

1.2.2.1 双向晶闸管基本结构与符号

双向晶闸管（TRIAC）的基本结构示意图与符号如上图所示：

结构方面：

为N-P-N-P-N五层半导体结构，集成了两个单向可控硅反向并联在同一硅片上。

电极方面：

T1：主电极1

T2：主电极2

G： 控制极

电流方面：

T1<——>T2，双向导通(结构对称，能在正反两个方向均被触发导通)。

触发方式：

正负脉冲均可

用途方面：

主要用于交流电路的无触点开关、调压、调速、调温，核心是直接控制交流电。

1.2.3 特殊类型

GTO（门极可关断晶闸管）：门极负脉冲可主动关断

快速晶闸管（FST）：高频、开关快

光控晶闸管（LTT）：光信号触发、电气隔离

逆导晶闸管（RCT）：反向并联二极管，适用于逆变

1.3 单向晶闸管工作原理

1.3.1 单向晶闸管等效模型

单向晶闸管等效模型如上图所示：（可看成PNP + NPN三极管互锁正反馈结构）

Q1 (PNP) 集电极→Q2(NPN)基极

Q2 (PNP) 集电极→Q1(NPN)基极

1.3.2 单向晶闸管工作原理

晶闸管为电流驱动脉冲触发型的半控制器件

1.3.2.1 单向晶闸管导通过程

单向晶闸管导通示意图如上图所示：

•  A极—K极之间加正向电压，此时晶闸管关断状态；
•  G极输入触发电流IG，此时IB2增大NPN三极管导通，IC2=IB1=β2*IB2；紧接着PNP三级管导通，IC1=β1*IB1=β1*β2*IB2；此刻IB2=IG+IC1(最大时刻)，此时晶闸管导通；
•  形成强烈正反馈，NPN和PNP三极管均为饱和状态，形成自锁；
•  当IG去除后，IB2=IG+IC1= IC1，NPN和PNP三极管依旧导通，此时晶闸管导通；

1.3.2.2 单向晶闸管导通后断开

方法1：A极—K极之间加反向电压

方法2：去掉A极电源电压

方法3：使流过晶闸管的电流小于维持电流IH

本质：晶闸管电流<维持电流 IH

1.3.2.3单向晶闸管导通过程总结表

1.4 双向晶闸管工作原理

1.4.1 双向晶闸管等效模型

双向晶闸管（TRIAC）的等效模型如上图所示，本质是两个单向晶闸管（SCR）反向并联，并且共用同一个门极 G的复合结构：

1. 结构对应：两个单向晶闸管的阳极与阴极反向对接，主电极 T1、T2 分别连接两个单向晶闸管的对应主端子，门极 G 同时连接两个单向晶闸管的控制极。
2. 导通逻辑：

当 T2 电位高于 T1 时，右侧单向晶闸管可被门极 G 的正 / 负触发信号导通；

当 T1 电位高于 T2 时，左侧单向晶闸管可被门极 G 的正 / 负触发信号导通；

因此双向晶闸管能在交流电压的正负半周，通过门极触发实现双向导通，交流过零时电流低于维持电流则自动关断。

   3.核心特点：等效结构完美解释了双向晶闸管 “三端、双向导通、门极正负均可触发” 的电气特性。

1.4.2 双向晶闸管工作原理

双向晶闸管四象限触发

关键电压极性

双向晶闸管的触发象限，由两个关键电压极性决定：

1. 主端子电压极性（T1-T2）：决定了垂直方向的象限（第一 / 二象限为 T1 正、T2 负；第三 / 四象限为 T1 负、T2 正）。
2. 门极电压极性（G-T2）：决定了水平方向的象限（第一 / 四象限为 G 正、T2 负；第二 / 三象限为 G 负、T2 正）。

四个象限的触发逻辑如下图所示

关键补充说明

1. 触发本质：双向晶闸管的触发，本质是通过门极电流改变内部等效的两组单向晶闸管的导通状态，实现双向导通。
2. 常用组合：实际应用中，最稳定、最常用的是Ⅰ和 Ⅲ象限（主端子与门极极性同相），也就是图中第一、第三象限的触发方式。
3. 第四象限的特殊性：只有少数特殊型号的双向晶闸管支持第四象限触发，绝大多数普通双向晶闸管在第四象限无法可靠触发，设计时应避免使用该象限。
4. 有效性：第Ⅰ和Ⅲ象限是通用有效触发象限，第二Ⅱ象限部分有效，第Ⅳ象限通常无效。

1.5 单向晶闸管和双向晶闸管的伏安特性

1.5.1 单向晶闸管的伏安特性

一、基本定义

单向晶闸管的伏安特性曲线，描述的是阳极电流IA​与阳极->阴极电压UAK​ 之间的关系，它分为正向特性和反向特性两部分。

二、正向特性（UAK​>0，图中右侧红、绿曲线）

正向特性又分两种情况：门极电流IG​=0 和 IG​>0。

1.门极电流 IG​=0（红色曲线）

当 UAK​ 较小时，晶闸管处于正向阻断状态，只有极小的正向漏电流，曲线几乎与横轴平行。

当 UAK​ 增大到正向转折电压UBO​ 时，漏电流急剧增大，晶闸管被强行击穿导通，阳极电流 IA​ 迅速上升，特性曲线进入低阻导通区。

导通后，只要维持阳极电流大于维持电流IH​，晶闸管就会保持导通状态，此时管压降很低（约 1V 左右）。

2.门极电流 IG​>0（绿色曲线）

当门极注入触发电流 IG​ 时，晶闸管的正向转折电压会大幅降低，IG​ 越大，转折电压越低。

当 IG​ 足够大时，晶闸管在很低的正向电压下就能被触发导通，特性曲线直接进入低阻区。

导通后，门极电流就失去了控制作用，只要阳极电流 IA​>IH​，晶闸管就会一直导通，直到阳极电流降到 IH​ 以下，或施加反向电压才能关断。

三、反向特性（UAK​<0，图中左侧黑色曲线）

1. 当晶闸管承受反向电压（阳极接负、阴极接正）时，晶闸管处于反向阻断状态，只有极小的反向漏电流，曲线几乎与横轴重合。
2. 当反向电压继续增大，达到反向击穿电压UBR​ 时，反向漏电流急剧增大，晶闸管被反向击穿，可能造成永久性损坏。实际应用中，会规定反向重复峰值电压UBRM​，作为安全工作的反向电压上限。

四、关键参数总结