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0 引言 雙向可控硅（TRIAC）在控制交流電源控制領域的運用非常廣泛，如我們的日光燈調光電路、交流電機轉速控制電路等都主要是利用雙向可控硅可以雙向觸發導通的特點來控制交流供電電源的導通相位角，從而達到控制供電電流的大小[1]。然而對其工作原理和結構的描述，以我們可以查悉的資料都只是很淺顯地提及，大部分都是對它的外圍電路的應用和工作方式、參數的選擇等等做了比較多的描述，更進一步的--哪怕是內部方框電路--內容也很難找到。 由于可控硅所有的電子部件是集成在同一硅源之上，我們根本是不可能通過采用類似機械的拆卸手段來觀察其內部結構。為了深入了解和運用可控硅，依據現有可查資料所給P型和N型半導體的分布圖，采用分離元器件--三極管、電阻和電容--來設計一款電路，使該電路在PN的連接、分布和履行的功能上完全與雙向可控硅類似，從而通過該電路來達到深入解析可控硅和設計實際運用電路的目的。 1 雙向可控硅工作原理與特點 從理論上來講，雙向可控硅可以說是有兩個反向并列的單向可控硅組成，理解單向可控硅的工作原理是理解雙向可控硅工作原理的基礎[2-5]。 1.1單向可控硅 單向可控硅也叫晶閘管，其組成結構圖如圖1-a所示，可以分割成四個硅區P、N、P、N和A、K、G三個接線極。把圖一按圖1-b 所示切成兩半，就很容易理解成如圖1-c所示由一個PNP三極管和一個NPN三極管為主組成一個單向可控硅管。 
在圖1-c的基礎上接通電源控制電路如圖2所示，當陽極-陰極（A-K）接上正向電壓V后，只要柵極G接通觸發電源Vg，三極管Q2就會正向導通，開通瞬間Q1只是類似于接在Q1集電極的一個負載與電源正極接通，隨后Q1也在Q2的拉電流下導通，此時由于C被充電，即便斷開G極的觸發電源 Vg，Q1和Q2在相互作用下仍能維持導通狀態，只有當電源電壓V變得相當小之后Q1和Q2才會再次截止。
1.2 雙向可控硅 相比于單向可控硅，雙向可控硅在原理上最大的區別就是能雙向導通，不再有陽極陰極之分，取而代之以T1和T2，其結構示意圖如圖3-a所示，如果不考慮G級的不同，把它分割成圖3-b所示，可以看出相當于兩個單向可控硅反向并聯而成[1-2]，如圖3-c所示連接。
當T1與T2之間接通電源后，給G極正向觸發信號（相對于T1、T2所接電源負極而言），其工作原理如前面單向可控硅完全相同。當G極接負觸發信號時，其工作過原理如圖4所示，此時Q3的基極B和發射極E處于正偏電壓而致使Q3導通，繼而Q1導通給電容C充電后致Q2導通并保持導通狀態。 1.3 雙向可控硅的主要特點 雙向可控硅的英文簡稱TRIC是英文Triad AC semiconductor switch的縮寫，其意思是三端交流半導體開關，目前主要用于對交流電源的控制，主要特點表現在能在四個象限來使可控硅觸發導通和保持導通，直到所接電源撤出或反向[6][7]。 第一象限是T2接電源V的正極T1接電源V的負極，G觸發信號Vg的正。 第二象限是T2接電源V的正極T1接電源V的負極，G觸發信號Vg的負。 第三、四象限是T1接電源V的正極T2接電源V的負極，G觸發信號分別接Vg的正、負極。 2 類雙向可控硅電路設計 在理解了前面所述雙向可控硅的內部結構和工作原理之后，依據其內部結構采用我們熟悉的晶體管來設計一種類似有雙向可控硅工作的雙向可觸發電路。如圖5所示，電路采用用7個三極管和幾個電阻組成。把圖5電路中PN結的結構按圖6所示結構圖描出，與圖3-a、b比較很是相似。在圖5所示電路中，內部電流在外界所接電源的極性不同而有兩種流向，如It12 和It21所示，It12流向是從P2流入經N2-P1-N1流出，It21從P1流入經N2-P2-N32流出；G極觸發電流Ig+由P2流入或Ig- 從N31流出。下面是所設計電路在四個象限的觸發導通工作過程。
2.1 T2接電源Vt21正極，T1接通電源Vt21負 此時當G極接Vg+為正電壓， Q4、Q5、Q6、Q7處于反向截止，Q1的B極和E極之間無正偏壓也處于截止狀態，Vg+由P2輸入后經R3使Q2的B極和E極之間產生正偏電壓而導通，從而促使Q3導通，這時即使撤出Vg+，在電容C1的的作用下，Q2、Q3也仍然能處于導通狀態，只有當Vt21先反向或撤除才重回截止。當G極接 Vg為負，Q4、Q5、Q6、Q7同樣處于反向截止狀態，Q1的B極和E極之間因Vg產生正偏電壓而導通，從而使Q3、Q2導通并得以保持導通狀態。 2.2 T1接電源Vt12正極，T2接通負電源Vt12的負極 此時G極接Vg為正， Q1因B極和E極之間處于反向偏壓而截止，Q3處于反向截止，Q2因B極和E極之間處于正向偏壓導通而導致Q4、Q7的導通，從而Q6、Q7導通并保持導通狀態，只有當Vt12先反向或撤除才重回截止。當G極接Vg為負，Q1、Q2、Q3和Q4處于反向截止， Q5的B極和E極之間因Vg而處于正偏導通，從而使Q6導通，繼而Q7、Q6導通并得以保持導通狀態。 3 電路制作與實驗驗證 為了驗證所設計電路，采用比較常用的NPN三級管S8050和PNP三極管S8550來設計制作實際的測試電路板(PCB)，如圖5所示。圖6 中所標識的T2、T1和G與圖5所示的相同，也類似于雙向可控硅的T2、T1和G三個接線極。利用該模塊電路串入負載接通正或負的直流電源和觸發信號來測試，所得結果如圖7所示，在正或負觸發信號接入前電流表上的指示為0，當正或負觸發信號接通并撤離后電流表指示依然保持原來的電流值。該實驗表明該電路在正負電源供電情況下能雙向觸發導通。
該模塊電路在接通交流電源和脈沖控制信號時，其測驗結果如圖8所示。示波器探針1接觸發信號，探針2接模塊電路的兩端T1-T2之間的電壓。在觸發信號為0是，T1-T2之間的電壓等于電源電壓值，表明該電路沒有導通，當觸發信號脈沖到來時，T1-T2兩端的電壓值為0，表明模塊電路已經導通。
4 結束語 在詳細解讀了雙向可控硅的內部結構和工作原理的基礎之上，設計了一款以7個三極管為主要元器件和電阻電容可以被雙向觸發的控制電路。利用常用的對管S8050和S8550制作出實驗電路驗證了該電路的正確性。在今后具體運用過程中可以通過對此電路的相關器件做適當調整來滿足具體的需求和設計要求。同時，利用所設計的電路形象具體地解釋了雙向可控硅的工作原理與過程。 參考文獻： [1] B. Jayant Baliga, Power Semiconductor Devices[M]. PWS publishing Company, Boston. ISBN 0-534-94098-6. [2] Adel. S. Sedra and Kenneth. C. Smith, Microelectronics Circuits [M]. 5th edit, Oxford, 2003. [3]A. Bourennane, M.Breil, L.Sanchez, P.Austin, J.Jalade. A new triggering mode in a vertical bi-directional MOS-thyristor device [J]. Microelectronics Journal, Volume 35, Issue 3, March 2004, Pages 277-285. [4]. R.L.Avant, F.C.Lee, and D.Y.Chen, A practical SCR Model for Computer Aided Analysis of AC Resonant Charging Circuits [J], IEEE,July,1981, :232-243. [5] LAWRENCE J.GIACOLETTO，Simple SCR and TRIAC PSPICE Computer Models[J].IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS，1989，36(3):451-455. [6] Jr.Nick Holonyak.The Silicon p-n-p-n Switch and Con-trolled Rectifier (thyristor) [J].IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, 2001, 16(1):8-16. [7] RAONIC D M.TRIACS Self-Supplied Gate Driver for Medium-Volta Application with Capacitor as Storage Element [J].IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS，2000,36(1):212-216. 作者簡介： 袁越陽：湖南漢壽人，工學碩士，現工作于蘇州工業園區一外資企業，主要從事電子技術應用和嵌入式單片機應用方面的產品開發與研究，業余以實踐工作為基礎來從事對職業技術教育與自我學習方面的探索。聯系郵箱：sunmoonanfen at 163.com |
