SCR,TRIAC,Photo TRIAC-四两拨千斤的光耦隔离电路

在先前的一次电子设计中，我使用到了一种利用双向可控硅(TRIAC)控制市电通断的方法。经过一段时间的资料收集，我发现关于这方面的中文资料比较少。这里记录了我的学习结果。

产生问题的电路图

图中是一个比较典型的MOC3041芯片的应用电路。前一路的光电TRIAC控制了后端的功率TRIAC的G端，从而实现了小电流控制大功率的目的。我们可以看到电路中有许多外加电阻电容和MOS管。它们的作用是什么？为什么TRIAC可以实现控制电流的通断？本文章将一一解答。

资料现象

目前可以查到的中文资料基本上集中于可控硅的性质，而较少有涉及到可控硅的内部结构问题。不过还是有几篇文章值得阅读的。同时在英文互联网上我也找到了一些资料，将这些东西整理起来就可以对这些问题进行更加合理的解释了。

可控硅

可控硅，英文名Silicon Controlled Rectifier, 也即SCR，硅可控整流器，是一种大功率电器元件，又名晶闸管。在控制系统中，通常用于使用小功率控件控制大功率设备。

通常使用的可控硅分为单向可控硅和双向可控硅，而双向可控硅通常称为三端双相可控硅，又名TRIAC，即TRIad AC semiconductor switch。如名字所提示，单向可控硅可以控制单向电流的通断，通常用于直流电的控制或者交流电的整流设备。双向可控硅可以控制双向电流的通断，可以用于控制大功率交流电机。

单向可控硅

基本结构

图中便是典型的单向可控硅的电路符号和半导体层面上的结构示意图。可以靠但单向可控硅由四层不同掺杂的半导体层组成。其中形成了三个PN结，从上到下分别是J1，J2，J3。该半导体器件引出了三个电极，分别将最外层的P型半导体作为元件的A极，将最外层的N型半导体作为元件的K极，将内层的P型半导体作为元件的G极。这样做有如下的理由。

等效电路

可以将可控硅的内层半导体分开来等效观察。我们发现左右两个三层半导体结构正好组成了PNP和NPN三极管，它们的等效电路如右图所示。

电路分析

预设K点为零电位，我们可以对这个电路进行分析。首先在G端口输入正的变化，经由Q2管的B-C进行放大，再由Q1管的B-C放大，可以发现这是一个正反馈过程。

添加上需要的负载$R_{Load}$和必要的电压偏置$V_{GK}, V_{AK}$，我们得到了这样的电路图。

在$V_{GK}$等于零的时候，Q2管处于截止状态。回路中没有电流经过，Q1也处于截止状态。在Q1的BE管上没有压降，$V_{AK}$的电压全部加在Q2管的CE端口。

当电压$V_{GK}$逐渐抬升的时候，电流$I_{G}$逐渐提高，经过Q2放大得到的电流$I_{C2}$也在提高。回路电流逐渐增加，且呈正反馈趋势。

在正反馈的作用下，当$V_{GK}$和$I_{G}$提高到某一个值之后，两个三极管将趋于饱和状态。这时等效电路如下。

我们将所需要的$V_{GK}$和$I_{G}$分别称作门极触发电压$V_{GT}$(Gate Trigget Voltage)和门极触发电流$I_{GT}$(Gate Trigget Voltage)。前者通常是一个PN结的导通压降。

这时候由于深度正反馈，即使将$V_{GK}$撤离，两个三极管仍然保持着饱和状态。这时候回路几乎完全导通。

因此我们推导出了单向可控硅的基本性质，即

• 通常情况下处于高阻态状态。
• 在GK极施加一定的电压和电流后，AK端口导通，导通压降很小。
• 当AK端口导通后，如果AK电流大于维持电流$I_H$(Holding current)，即使撤离触发电压$V_{GK}$，AK端口仍然保持导通状态。

我们还可以思考一个问题，如果栅极获得的是反向偏置会怎样？事实上，栅极反向偏置的时候，三极管工作在反向放大状态，即倒置状态。但是值得注意的是，这时候电路中并不存在正向的电流回路，也就是说SCR依旧处于截止状态。那么怎么才能在反向偏置的时候仍然能够正常导通？这时候就要研究双向可控硅的工作原理了。

双向可控硅

双向可控硅的符号和单向可控硅的符号相比，可以看成两个单向可控硅的反向连接。这也揭示了双向可控硅TRIAC的重要特点：可以双向导通。

但是这样的近似并不能很好的解释双向可控硅的工作原理。在半导体层面的解释上，我们将看到T1和T2两个电极并不是完全对称的，因此这里将G极直接引出的做法，实际上是忽略了G极的不同而进行的近似。

这就是TRIAC的半导体构成。可以看出来，从T1到T2和T2到T1，分别构成了PNPN的四层半导体结构，这便是上文研究过了的单向可控硅。但是看到栅极G，和T1-T2构成的可控硅进行了连接的地方并不是上文讨论的内层P型半导体层。我们很快就来探讨这里面的问题。

工作环境

这里需要注意的是，我们讨论施加在G上的信号，是相对于T1极而言的。这一点在半导体层面的讨论时将很有帮助。

通常TRIAC有四种工作模式，如下

• T2电势高于T1，同时栅极施加正电压。
• T2电势高于T1，同时栅极施加负电压。
• T2电势低于T1，同时栅极施加正电压。
• T2电势低于T1，同时栅极施加负电压。

这里就发现，只要栅极不是悬空的或者和T1直接相连的(低阻抗相连的)，TRIAC都可以进行双向导通。

但是不同的模式下，TRIAC对栅极电流的敏感程度不同。通常栅极偏置和T2-T1偏置反相时，对电流的敏感程度低一些，而偏置同相的时候，会表现出较高的敏感度，也就更容易激发。其中的原因将在下面进行解释。

模式一，T2正偏，栅极正向电流

当栅极电势高于T1极时，栅极电流从G流向T1，经过了P2层和N2层。在这时，P2层将会被充满N2释放出来的电子，这些电子将会在T2和T1的偏置电场作用下流向P2-N1这个PN结区域。我们将这个PN结称为J2结。

电子达到PN结区域后将在内电场的作用下顺利穿过PN结达到N1区域。同时会有更多空穴为了维持电荷平衡从而从P1区向N1区流动。这个中和的部分发生在N1区。同时会有空穴来到J2结，顺利穿过J2结来到P2区，提高了P2区的电势，从而促进了更多电子通过P2-N2结区达到T1电极。

总结而言，首先产生了电流N4-P2-N2。在电流进行的过程中产生了附加的电荷移动，使得内电流N1-P2产生，激发了可控硅P1-N1-P2-N2。

由于工艺设计，流经的电流P1-N1-P2-N2可以很大，导通内阻也很低，满足大多数驱动的要求。

模式二，T2正偏，栅极反向电流

从结构图图中可以看出来，G和T1极有着些许对称性。当栅极反偏的时候，首先产生的是电流N2-P2-P4。经过相同的原理，产生了电流P1-N1-P2-N4。

正如前文所说，在电流P1-N1-P2-N4的作用下，空穴来到P2区，使得PN结P2-N2得到了逐渐提高的正向偏置。因此电流P1-N1-P2-N2也被建立了起来。

由于工艺设计，电子和空穴更加容易通过N2区进行传导。因此在P2区的电流产生了从P1-N1-P2-N4到P1-N1-P2-N2的转变。因此SCR P1-N1-P2-N2导通。

总结而言，首先激发了电流P1-N1-P2-N4，使得SCR P1-N1-P2-N2获得了正向偏置，从而引发了SCR的激活，使得电流得以导通。

模式三，T2反偏，栅极正向电流

这种情况下，外加电流促进了P2层电势的提高，使得PN结P2-N2得到进一步正偏。因此N2层向P2层发射电子，后者则会有部分被PN结P2-N1捕获，在N1形成负电荷区域。

与此同时，P2层也在发射空穴达到N1区域。空穴在P1-N1内电场的作用下达到P1区域，在P1区域形成了正电荷区域，吸引N3的电子向P1区域扩散。

这部分电子自然也会有部分到达P2N1PN结，从而在N1区域吸引更多的空穴穿过P2N1PN结到达N1区域。

这些奇怪的进程将持续进行，直到SCR P2-N1-P1-N3被导通，从而自然地进行电荷转移。

当TRIAC被导通的时候，显然，栅极的状态不再那么敏感，可以撤离栅极电势，而导通状态不会改变。

这时候我们注意到在模式二和模式三中，在N2层上都出现了方向不同的两种电流。相对于模式一而言，这种反向电流使得电势变化相互抵消，相当于负反馈过程。因此要想达到预期的触发电压，需要施加更多的栅极电流。因此我们得出的结论是，模式二和模式三，有着较低的电流敏感度。

模式四，T2反偏，栅极反向电流

模式四和模式三有所对称性。这次是由N4层向P2层注入电子，将P2-N4深度正偏。同样地，N4发射的电子被P2N1结捕获，促进了P1N1电流的形成。

这时SCR P2N1P1N3得到了足够的激励而被启动。这个过程可以看作是正反馈过程，其中电流的增加促进了PN结P2N1的进一步正偏，提高了通过的电流。

V-I特性

事实上从微观层面没有无法逾越的鸿沟。即使TRIAC处于截止状态，依然会有少量的漏电流的存在。因此，如果T2-T1进行足够大的偏置，也是可以将TRIAC直接导通，而不需要考虑栅极情况的。这个最大的电压被称为击穿电压(Breakover voltage)。查阅相关资料后可以得到如下的V-I特性曲线。

因此可以得到，在TRIAC已经导通，而且栅极激励已经移除的情况下，将TRIAC截止的几种方法：

• 中断T2T1之间的电压，使之短路或断路。
• 改变T2T1的电压极性(交流电自然满足)。
• 将T2T1之间的电流降低到维持电流以下。

所以在交流电控制时，栅极激励的有无可以直接控制电流的通断。

三极管视角下的反向栅极电流

之前我们在介绍反向栅极电流的时候，提到了它的主要工作原理是利用电流改变电势从而引起主要SCR的触发。在这个思路上我们可以画出等效的三极管电路图。

当栅极出现反向电流的时候，事实上是导通了Q3这个三极管，从而给其中的等效电容充电。当电容充电到一定程度时，可以使Q2达到放大模式，从而触发了中间部分的SCR。

这其实就是前文中对”电势上升”的解释。半导体器件工作在不同状态时可以给出不同的模型，在分析的时候需要灵活变通。

光耦可控硅

前文的TRIAC需要一定的电压电流才能触发。通常我们使用的控制元件，如MCU、PLC、FPGA等器件无法直接满足这样的触发条件。另一方面我们需要做到前后端隔离，尽可能减少处理器的损坏，同时保证操作员的安全。

在这样的目的支持下，使用其他的方式来获得TRIAC的栅极触发条件便成为了研究的目的。在半导体行业十分著名的隔离方法便是光电隔离。经过一定工艺处理，半导体器件可以获得足够的光敏感性，从而达到光触发的目的。

这是前文的电路图中出现过的MOC30系列的光耦可控硅的原理图。可以注意到其中有一个发光二极管、一个CIRCUIT和一个讨论过了的TRIAC。这里的TRIAC经过了特殊设计，需要在紫外线和栅极的共同作用下才能导通。

工作原理也是十分简单，只要发光二极管导通，发出紫外线使TRIAC被激活，等到CIRCUIT部分发出信号即可完成导通。

CIRCUIT部分其实值得更多的讨论。光耦可控硅的主要分类就是在这里进行的。主要的两种触发方式是零点触发和随机相位触发。

零点触发，Zero-Cross，ZC，是指只有在二次侧交流电达到零点的时候才能导通TRIAC。这样做是考虑到了负载电路的电感效应和高电压的特性。在电压为零时，导通后，通常电流会处于一个比较低的水平，甚至可能是没有电流。这样做对负载电路的影响最小，也不会产生电火花等危险情况。

随机相位触发，Random-Phase，RP，是指允许在二次侧交流电在任意相位的时候触发TRIAC。通常用于工作条件温和的交流电外设，如灯具调光器、温度控制器和小型马达。随机相位触发允许在交流电的任何一个相位触发，因此输出的电压波形通常为缺角的正弦波，存在高次谐波。

综合电路分析

终于，我们回到了这个电路。现在我们可以对它进行分析了。

先从一次侧开始讨论。我们知道，要想导通二极管，需要给出一定的压降和电流通道。为了保护MCU的端口，我们添加了NMOS作为电流通路，防止电流灌入MCU中。其中R19和R22作为限流电阻存在，防止电流过大损坏器件。

在二次侧，我们看到了熟悉的TRIAC。其中让我们费解的是R18和R23这两个2512的电阻，和后端的一个RC电路。

RC电路的出现是为了减少负载的电抗效应将TRIAC误触发。考虑感性负载，电流落后于电压。电流变为零时，TRIAC应当正常截止。但是这时候电压不为零，直接施加在了TRIAC两端。如果这个电压超过一定额度，就会使TRIAC内部的结间电荷没有能够及时释放，从而无法进入截止状态。添加的RC电路正是提供了容性回路，使得电压迅速释放。

但是考虑感性不是那么大的负载，在TRIAC截止的时候，RC电路会保持一定的压降，反而可能触发TRIAC，违背了我们的意愿。所以通常RC电路的C会选择较小值，如电路图中为10nF的薄膜电容。

RC电路能不能去除呢？其实RC电路还有另一种作用，那就是过电压吸收。因为负载的电抗效应，在适当的条件下，负载电压可能出现一定的过冲。这时候RC电路就可以吸收一部分电荷，从而减缓电压的上升，实现TRIAC的过压保护。

R18可以在极端情况下对光耦TRIAC进行保护。假设在二次侧电压峰值处光耦被导通，光耦最大峰值驱动电流为1A，则

$$R_{18} = \frac{V_{Peak}}{I_{Peak}} = \frac{220\sqrt{2}}{1} \approx 311 \mathrm{\Omega}$$

电路中使用的电阻是360$\mathrm{\Omega}$，也算是一个比较合格的保护电路。

同时注意到TRIAC栅极事实上存在着电容效应。如果光耦TRIAC截止，同时电路中不存在R23的话，栅极将处于浮空状态，电感效应会使得栅极处于随机触发的状态，这不符合我们的预期效果。

所以R23被添加在电路中，在光耦TRIAC截止的时候将栅极拉低。

回过头来，我们发现光耦TRIAC导通的时候，这个电阻依然存在，而且会分走栅极的电流。这时候就需要理论计算来得到合适的阻值了。

假设TRIAC需要$I_{GT},V_{GT}$才能正常触发导通，在R18上经过的电流为

$$I_{R18} = I_{GT} + I_{R23} = I_{GT} + \frac{V_{GT}}{R_{23}}$$

在电阻R18上的压降变成了

$$V_{R18} = \left(I_{GT} + \frac{V_{GT}}{R_{23}}\right)R_{18}$$

假设T2T1电压为$V_T$，光耦TRIAC的导通压降为$V_{TM}$，考虑回路就有电压关系

$$V_T = V_{R18} + V_{TM} + V_{GT}$$

根据光耦TRIAC的数据手册和功率TRIAC的数据手册提供的导通压降和触发电压电流大小即可确定合适的R23电阻值。

总结

本文参考了多种参考资料，从零开始讨论了SCR、TRIAC、Photo TRIAC的基本性质，目的是对一个常见的交流电控制电路进行分析。

本文写作时间紧迫，如若发现其中的分析错误、逻辑错误或者笔误，欢迎邮件联系讨论。本人文化水平不高，出现错误请予以谅解，本人会认真听从意见并更正。

参考资料

正文的单向可控硅的原理介绍参考了可控硅工作原理及参数详解。这是一篇十分详细的文章，学过模电的同学就可以从学到不少东西。

正文中的双向可控硅的原理介绍参考了文章ElectronicsHub TRIAC。这是一篇不错的科普读物。

Everlight公司提供的光电TRIAC的资料，提供了更加详细的特性解释。Photo TRIAC的特性與應用介紹

光耦可控硅的资料也来自MOC30系列的datasheet，我不记得在哪里下载了。搜索MOC3041就可以找到。

同时也少不了一个国内致力于可控硅方向的网站提供的文档，对双向可控硅内部电路的探讨。该文档可以在网站内搜索标题得到下载地址。