認識閘流體符號：PCB設計電路圖指南

閘流體符號看似簡單，實際上卻代表一整個功率元件家族。閘流體家族包含SCR、TRIAC、DIAC、GTO、SCS及LASCR等元件，每一種都有各自的符號與切換行為。

SCR的符號類似帶有閘極端子的二極體，而TRIAC則以兩個方向相反的閘流體結構表示。DIAC沒有閘極，並採用不同的雙向符號。當這些元件同時出現在同一張電路圖上時，其符號乍看之下很容易混淆。

正確理解這些符號，有助於您在選擇元件或指定PCB封裝之前，先確認設計所需的元件類型。

本指南將說明：

• 常見閘流體符號，包括SCR、TRIAC、DIAC、GTO、SCS及LASCR
• 如何區分SCR與TRIAC
• 如何從符號辨識陽極、陰極及閘極
• IEC與ANSI／IEEE慣例如何以不同方式表示閘流體元件

閘流體符號圖表（快速參考）

IEC 60617-5收錄多種用於電路圖的閘流體符號。以下10個符號涵蓋常見的閘流體類型與配置。

圖：完整的閘流體符號圖表

什麼是閘流體符號？

閘流體符號代表一種用於受控切換及鎖存導通的半導體元件。

SCR符號類似二極體，是因為SCR主要沿單一方向導通，而新增的閘極端子則表示其採用受控觸發。適當的閘極電流脈衝可觸發SCR導通；一旦鎖存，移除閘極驅動通常不會使其關斷。只要陽極電流維持在維持電流以上，SCR便會保持導通。

即使尚未查看零件編號，符號也能告訴您四項重要資訊：

• 它主要是一個開關：閘流體的用途是在阻斷與導通狀態之間控制電流，而非提供線性放大。
• 它可以鎖存導通：適當的觸發脈衝可使SCR開啟，之後只要所需電流持續流動，它便會保持導通。
• 閘極是觸發器，而不是節流器：SCR一旦鎖存，移除閘極訊號通常不會使其關斷。
• 它具有維持電流：當SCR的陽極電流降至指定維持電流以下時，元件便可返回關斷狀態。

SCR符號解析：陽極、陰極與閘極

SCR符號是用來辨識傳統閘流體的基本形式。它具有三個端子——陽極（A）、陰極（K）及閘極（G）——而每個端子都代表特定的電氣功能。

圖：顯示陽極、陰極、閘極端子及傳統電流方向的SCR符號。

• 類似二極體的本體：SCR採用類似二極體的符號，一側是陽極（A），另一側是陰極（K）。與標準二極體符號相同，橫線用來識別陰極。SCR導通時，傳統電流由陽極流向陰極。
• 閘極端子：第三個端子是閘極（G），繪製在符號的陰極側旁邊。相對於陰極的正向閘極電流可觸發傳統SCR導通。這個額外端子正是受控閘流體與普通二極體的區別。

為什麼閘極以陰極為參考：在傳統SCR中，閘極在電氣上以陰極為參考，因為閘極是透過閘極—陰極接面來控制元件。

因此，閘極驅動器需要提供正確的閘極對陰極電壓與電流。務必查閱製造商資料表，以確認實際的閘極驅動要求及實體腳位配置。

SCR雙電晶體模型：鎖存如何運作

將四層PNPN結構從中間分開，可以把它視為一顆PNP電晶體與一顆NPN電晶體互相耦合，而且每顆電晶體都向另一顆的基極提供訊號。這個正回授迴路正是SCR產生鎖存行為的原因：短暫的閘極脈衝可以觸發再生作用，使元件進入導通狀態，並在陽極電流維持於維持電流以上時持續導通。

圖：顯示SCR PNPN堆疊結構的雙電晶體類比模型

然而，符號本身不會顯示決定元件何時切換的電氣限制。轉折電壓可以在沒有閘極訊號的情況下觸發SCR，而維持電流則決定元件在鎖存後何時關斷。

圖：SCR I-V特性

閘流體類型與符號

圖：SCR、TRIAC、DIAC、GTO、SCS、LASCR、RCT及IGCT符號

SCR符號——矽控整流器

一個類似二極體的本體、一個閘極端子，以及標示為A、K及G的三個端子。

SCR通常會保持順向阻斷，直到適當的閘極觸發使其開始導通，但順向轉折也可能觸發導通。

鎖存後，當SCR的陽極電流降至維持電流以下時，SCR便可關斷。

TRIAC符號——雙向三極閘流體

TRIAC符號代表雙向閘流體作用，具有兩個主端子及一個閘極。由於電流可以雙向流動，因此主端子稱為MT1及MT2，而不是陽極及陰極。

在功能上，TRIAC可理解為兩個反向並聯的SCR，但這並不代表其實體結構只是把兩個傳統SCR放在一起。其閘極行為以四個觸發象限描述，靈敏度取決於MT2的極性以及閘極相對於MT1的極性。

DIAC符號——雙向二極體閘流體

DIAC是一種沒有閘極的雙端子雙向觸發元件。其對稱符號表示雙向運作，也就是當電壓達到轉折電壓後，可以沿任一方向導通。

沒有閘極是關鍵特徵：DIAC是由施加電壓觸發，而不是由外部閘極脈衝觸發。常見範例是DB3，通常用作TRIAC電路的觸發元件。

GTO符號——閘極關斷閘流體

GTO與SCR相似，但其閘極設計可同時進行開啟與關斷控制。適當的正向閘極電流會觸發導通，而足夠大的反向閘極電流則可以強制元件關斷。

與SCR不同，GTO需要相當大的閘極電流脈衝才能關斷。因此，其閘極驅動器必須處理比傳統SCR觸發電路更嚴苛的電流需求。

SCS符號——矽控開關

SCS是一種四端子閘流體，除了陽極及陰極之外，還具有獨立的陽極閘極與陰極閘極連接。相較於傳統SCR的單一閘極，這兩個閘極端子可以提供更高的元件控制能力。

辨識SCS符號時，額外的閘極端子是最關鍵的特徵。

LASCR符號——光觸發矽控整流器

LASCR是一種可以由入射光觸發的SCR。其符號會加入指向半導體結構的光學箭頭，以表示光觸發功能。

視具體符號慣例而定，圖中仍可能顯示閘極端子。請勿將LASCR與光耦合器或光控TRIAC混淆：LASCR是光觸發閘流體，而光耦合器則是在隔離封裝內結合光學發射器與接收器。

RCT符號——反向導通閘流體

RCT將閘流體與反向並聯二極體結合，為元件提供反向電流通路。

在需要反向電流的功率轉換器電路中，這顆二極體特別實用，例如某些感性負載及逆變器應用。

IGCT符號——整合式閘極換流閘流體

IGCT是一種高功率閘流體，透過整合式低電感閘極驅動配置實現快速關斷。其符號著重表示閘流體及其閘極控制連接，而不是暗示獨立矩形在實體上代表完整的閘極驅動電子電路。

IGCT用於中壓驅動器及工業轉換器等高功率應用，這些應用需要高電壓、大電流及快速關斷能力。

其他閘流體相關觸發元件

閘流體符號圖表中也可能出現一些相關元件：

• SIDAC：一種雙向轉折元件，運作方式與DIAC相似，但專為較高能量的切換應用設計。
• SBS：矽雙向開關，可提供相對明確的雙向切換閾值。
• SUS：矽單向開關（SUS）是一種單向電壓觸發切換元件，用於低功率觸發電路。
• QUADRAC：TRIAC與DIAC的封裝組合，將觸發元件與切換元件整合於同一封裝中。

應避免的常見閘流體符號錯誤

1. 把閘極當作關斷開關：標準SCR一旦鎖存，通常無法透過閘極將其關斷。

修正方式：提供適當的換流路徑；若需要由閘極控制關斷，則使用GTO等可關斷元件。

2. 把TRIAC符號看成SCR：兩者都有三個端子，而且雙向結構在圖形較小時很容易被忽略。

修正方式：檢查端子標示。A／K代表SCR類型的單向元件，而MT1／MT2則是TRIAC的主端子。

3. 把IGBT稱為閘流體：IGBT是電壓控制型功率電晶體，而不是鎖存型閘流體。其閘極為絕緣結構，通常可以透過閘極控制開啟與關斷。

修正方式：選擇閘極驅動方式之前，先確認元件結構及端子標示。

4. 讓閘極浮接：未受控制或參考不良的SCR閘極可能拾取雜訊並意外觸發。

修正方式：提供適當的閘極至陰極回流路徑，通常會使用依據元件資料表及觸發要求選定的電阻。

5. 假設金屬散熱片是陰極：不同元件家族的封裝金屬片並沒有統一標準。例如，BT151的金屬片連接陽極，而BT136的金屬片則連接MT2。

修正方式：設計散熱器或絕緣配置之前，務必查看資料表中的封裝圖及金屬片連接方式。

SCR、TRIAC、DIAC與GTO符號比較

區分這四種符號最快的方法，是檢查其端子配置、閘極配置及導通方向。

SCR與GTO具有陽極、陰極及閘極端子；TRIAC使用MT1、MT2及閘極端子；DIAC則具有兩個主端子而沒有閘極。

在這四種元件中，GTO可由閘極直接控制關斷。

其他元件通常會保持鎖存導通，直到主電流降至所需的維持電流以下，因此電路必須提供適當的電流換流或電流過零條件。

這就是為什麼用於直流匯流排的閘流體需要換流策略，而MOSFET通常可以直接透過閘極關斷。

IEC與ANSI：閘流體符號差異

IEC與ANSI／IEEE慣例可能使用不同的圖形形式來表示相同的閘流體元件。

兩者的差異主要在視覺呈現；元件的電氣功能仍然相同。

IEC 60617是圖形符號的主要國際參考標準，而許多美國電路圖及舊版技術文件則採用源自IEEE 315與ANSI Y32.2的慣例。

圖：IEC與ANSI表示的SCR、TRIAC及DIAC符號

• 閘極幾何形狀：IEC與ANSI／IEEE對閘極連接的畫法可能不同。在其中一種慣例中，閘極可能以斜角離開閘流體本體，而在另一種慣例中則可能較為水平。幾何形狀有所改變，但閘極端子及其電氣功能仍然相同。
• 外圍圓圈：部分ANSI／IEEE風格電路圖會在分立半導體周圍加上圓圈，以表示元件封裝或外殼，而IEC符號通常不會使用。圓圈只是一種圖形慣例，並不是元件電氣行為的一部分。
• 端子標示：端子名稱可能因元件類型、製造商及繪圖慣例而異。例如，TRIAC的兩個主端子可能標示為MT1／MT2或A1／A2。辨識元件時，請以端子標示及製造商資料表為準。

注意：部分資料表會混合使用這兩種表示方式，甚至在同一份文件中同時出現。

如何從符號辨識閘流體端子

關鍵差別很簡單：符號用來識別電氣端子，而元件封裝及資料表則定義實體腳位配置。

兩者互有關聯，但不能互相替代。混淆兩者是最容易造成接線錯誤的原因之一。

步驟：

1. 找出陰極橫線：在SCR符號中，橫線代表陰極（K），相對的另一端則是陽極（A）。
2. 找出閘極：第三個端子是閘極（G），通常畫在傳統SCR符號的陰極側。
3. 檢查是否存在第二個元件結構：鏡像或雙向符號可能代表TRIAC或其他閘流體變體，其主端子不能單純視為陽極與陰極。
4. 開啟資料表的腳位圖：切勿根據電路圖符號推測實體腳位順序。請核對製造商提供的腳位配置表。
5. 檢查封裝金屬片：對許多TO-220元件而言，金屬片會與其中一個元件端子電氣連接。請勿假設它是絕緣的。

圖：TO-220與TO-92閘流體封裝，顯示實體腳位及其對應的電氣端子。

已驗證範例：

• BT151，TO-220：腳位1＝陰極，腳位2＝陽極，腳位3＝閘極；金屬片連接陽極。
• BT136，TO-220：腳位1＝MT1，腳位2＝MT2，腳位3＝閘極；金屬片連接MT2。
• BT169D，TO-92：腳位1＝陽極，腳位2＝閘極，腳位3＝陰極；沒有金屬安裝片。

如何從封裝辨識閘流體端子

使用萬用電表的二極體模式測試，可以協助驗證SCR閘極與陰極之間的預期行為。

不過，建議採用更精確的方法，因為0.5–0.8 V的讀值並不是通用的SCR測試標準，而且內部閘極—陰極電阻會因元件而異。

步驟1：將萬用電表設定為二極體測試模式，而非導通模式，並將SCR從電路中取出後再進行測試。

步驟2：根據資料表確認疑似的閘極（G）與陰極（K）端子。將紅色探棒放在G，黑色探棒放在K。

步驟3：順向偏壓的閘極—陰極接面可能會顯示類似二極體的電壓，許多小型SCR的典型讀值約為0.5–0.8 V。實際讀值取決於元件。也請檢查其他端子組合是否出現異常短路。

步驟4：將G與K之間的探棒對調。傳統SCR在此方向通常應顯示高得多的電阻或開路讀值。

圖：萬用電表設定為二極體模式，紅色探棒接在SCR閘極，黑色探棒接在陰極。

結論

閱讀閘流體符號時可分兩個步驟：先計算本體數量以了解電流路徑，再計算端子數量以了解控制方式。確認元件之後，便不要再只依賴符號，而應開啟資料表查看腳位配置。符號會告訴您電氣功能，但不能保證實體腳位順序。

將設計送交製造之前，應像檢查電路圖一樣仔細檢查PCB封裝與佈局：

• 將金屬片視為電氣連接：在許多功率閘流體中，金屬片會與其中一個元件端子內部連接。如果金屬片承載市電電位，應比照其他高壓導體考量其電氣間隙與爬電距離。
• 驗證爬電距離與電氣間隙：不要對所有設計套用單一的通用間距值。所需距離取決於工作電壓、污染等級、絕緣類型、材料組別、海拔高度及適用的安全標準。請依具體應用採用相關IPC及產品安全要求。

閘流體符號常見問題