第 2 章 7：閘流體與 SCR

閘流體（Thyristor）家族是「latching（閂鎖式）」開關的代表，本章專門整理。

一、閘流體家族

Thyristor 閘流體
├── SCR（Silicon Controlled Rectifier）矽控整流器（單向）
├── TRIAC（三極雙向交流開關）
├── DIAC（雙向觸發二極體）
├── GTO（Gate Turn-Off Thyristor）可關斷閘流體
├── IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor）
└── PUT（Programmable Unijunction Transistor）

二、SCR 工作原理回顧

4 層 PNPN

可分解為「PNP + NPN 互鎖」：

$$\beta_{NPN} \cdot \beta_{PNP} > 1 \Rightarrow \text{閂鎖}$$

V-I 特性

   I_A
    │
    │           順向導通 (low V)
    │            ╱
    │           ╱
    │      ───┘
    │      │  (順向阻塞)
    │      │
    │ V_BR forward = 觸發電壓
    │      │
    ┴──────┴──→ V_AK
    │
   反向類似二極體

動作過程

順向阻塞（OFF）：V_AK > 0 但 Gate 無觸發 → 不導通
觸發：Gate 加正電流脈衝（5–50 mA） → 進入導通
導通（ON）：A-K 電壓 ≈ 1.5V，可流過大電流
關斷：A-K 電流降到「保持電流」以下（一般 AC 自然過零）

關鍵參數

V_DRM（Repetitive Peak Off-State Voltage）：可重複承受的最大斷態電壓
I_T(AV)：平均通態電流
I_TSM：非重複峰值通態電流（考慮事故）
I_GT：觸發電流（典型 mA 級）
V_GT：觸發電壓
I_H（Holding Current）：維持導通的最低電流
dV/dt：靜態 dV/dt 容受度（過大會誤觸發）
dI/dt：動態電流上升率上限

三、SCR 觸發方式

1. Gate 觸發（最常用）

      Anode
       │
      [SCR]
   G ──┤
       │
      Cathode

Gate 加正脈衝（持續 µs 級）即觸發。

2. Light 觸發（LASCR / LSC）

光纖傳輸觸發信號，用於高壓 HVDC 站。

3. 過 dV/dt 觸發（不希望！）

雜訊或快速電壓變化可能誤觸發。解方：snubber（RC 阻尼）。

4. 過電壓擊穿觸發

V_AK 超過 V_BR 強制導通。有破壞性，正常使用不允許。

5. 過溫觸發

漏電流足夠引發 βNPN·βPNP > 1。

四、TRIAC（雙向 SCR）

結構

兩個反向並聯的 SCR 整合成一顆元件，5 層複雜結構。

端點命名

MT1 / MT2（Main Terminal 1, 2）：主端子
G（Gate）：觸發

雙向觸發

四個觸發象限： - I+：MT2 +, G + - I−：MT2 +, G − - III+：MT2 −, G + - III−：MT2 −, G −

不同象限觸發靈敏度不同，「I+ 與 III−」最靈敏。

應用：AC 相位控制

    AC ─[L]─┬──── ─┬─ Load ─── AC
             │      │
            [TRIAC]
             │
             G
             │
          [DIAC + RC] (觸發電路)

經典型號

BT136：4A，600V，TO-220
BTA16：16A，600V/800V
MAC97A6：0.6A 小型，TO-92

五、DIAC（雙向觸發二極體）

特性

對稱「負電阻」特性：

   I
   │
   │      ╱  (V > V_BO 後突然導通)
   │     ╱
   │    ╱
   │   ╱
   ┴─────────► V
   │   ╲
   │    ╲
   │     ╲ (對稱反向)

用途

主要與 TRIAC 搭配做穩定觸發脈衝。 RC 充電到 V_BO（約 32V）後 DIAC 導通，提供觸發脈衝。

經典：DB3, DB4

六、GTO（Gate Turn-Off Thyristor）

特性

可由 Gate 主動關斷的 SCR： - 開：正 Gate 電流（mA） - 關：大反向 Gate 電流（達 1/4 主電流！）

缺點

關斷需要大反向 Gate 電流（驅動複雜）
切換速度慢（< 1 kHz）
已被 IGBT 大量取代

仍在用的場景

大功率 HVDC（kV 級）
老的工業驅動系統

七、IGCT（IGCT）

Integrated Gate-Commutated Thyristor

GTO 的改良：把 Gate 驅動電路整合到元件本體，反向電流路徑短，關斷快。

特性

大功率（4500V/4000A 級）
較 GTO 快
用於：HVDC 換流站、大型風機、軌道交通牽引

八、SCR 應用範例

例 1：簡易調光器（Light Dimmer）

   AC 110V ──┬── R1 ─── 電燈泡 ──── AC return
              │
            [TRIAC]
              │
              G ──[DIAC]──┬──[VR 可變電阻]──┬─
                          │                  │
                        [Cap 100nF]        AC return

工作： 1. AC 半週開始，C 透過 VR 充電 2. C 電壓達 DIAC 觸發點 → DIAC 導通 → TRIAC 觸發 3. TRIAC 導通直到 AC 過零自動關閉 4. VR 大 → 充電慢 → 觸發角延遲 → 燈暗 5. VR 小 → 充電快 → 觸發角早 → 燈亮

例 2：過壓保護（Crowbar）

   電源 ───┬─── 下游 IC
            │
          [SCR]
            │
           GND
   控制：
   電源 → Zener → SCR Gate

當電源異常升高超過 Zener 電壓 → Zener 擊穿 → 電流流入 SCR Gate → SCR 觸發 → 短路電源 → 保險絲熔斷 → 下游 IC 安全。

例 3：軟啟動（Soft Start）

馬達啟動瞬間需要避免大電流：

用 SCR 控制觸發角從 180°（無功率）漸漸調到 0°（全功率），數秒內平滑啟動。

例 4：固態繼電器（SSR）

內部結構： - 隔離（光耦） - 過零檢測 - TRIAC 觸發

從 DC 控制信號 → 觸發 TRIAC → 控制 AC 負載。

九、SCR 設計注意事項

1. dV/dt 保護

快速電壓上升會誤觸發。標準 snubber：

     A
     │
    [R = 100Ω]
     │
    [C = 100nF]
     │
    K

2. dI/dt 限制

啟動瞬間電流上升太快，僅元件局部導通，造成局部過熱燒毀。解方：串聯小電感限制 dI/dt。

3. 散熱

V_T(on) ≈ 1.5V，I_T = 10A → P = 15W，必須散熱。

4. RFI / EMI

相位控制會產生大量諧波與 EMI： - 加 EMI 濾波器（線圈 + X/Y 電容） - 過零觸發優於相位觸發（高 EMI）

5. 反並聯飛輪二極體（電感負載）

電感負載需要二極體續流，否則 SCR 關斷時電壓尖峰可能擊穿。

十、SCR vs 其他元件選擇

應用	推薦
AC 相位控制（< kW）	TRIAC
大功率 AC 開關	反並聯 SCR 對
DC 鎖存（過壓保護）	SCR
高速 DC 切換	MOSFET / IGBT
中等功率 AC 馬達控制	TRIAC 或 SSR
大型工業驅動	IGBT 或 IGCT
HVDC 輸電	IGCT 或 SiC IGBT
焊接機	SCR（大電流、低頻）

十一、本章總結

✅ 您應該理解：

[x] SCR 的 4 層 PNPN 結構與閂鎖機制
[x] SCR 的觸發方式
[x] 關鍵參數：V_DRM, I_T, I_GT, I_H, dV/dt
[x] TRIAC 雙向特性與四象限觸發
[x] DIAC 用於穩定觸發
[x] GTO/IGCT 可關斷的閘流體
[x] 常見應用：相位控制、過壓保護、SSR
[x] 設計時的 dV/dt、dI/dt 保護

自我檢測

SCR 觸發後如何關閉？
TRIAC 與兩顆反並聯 SCR 有什麼差別？
dV/dt 過大為什麼會誤觸發 SCR？
SCR 用於 DC 開關有什麼挑戰？
為什麼相位控制會產生 EMI？

解答

必須讓 A-K 電流降到 I_H 以下（AC 自然過零，DC 需強制斷流）
TRIAC 是單一封裝（成本低、體積小），但靈敏度不對稱；雙 SCR 反並聯可獨立觸發、控制更精確
SCR 內部有寄生電容，dV/dt 大時 i = C·dV/dt 流入 Gate 區域，可能達到觸發電流
DC 不會自然過零，需強制換流（commutation circuit）才能關閉，複雜
觸發瞬間電壓不連續變化，產生豐富諧波，傳導與輻射 EMI 嚴重

08-光電元件.md — LED、光電二極體、太陽能電池。