晶閘管教程

在許多方面，可控硅整流器（SCR）或更常見的晶閘管在結構上與晶體管相似。

在本晶閘管教程中，我們將更詳細地探討晶閘管或可控硅整流器（SCR）的結構和工作原理。

在許多方面，晶閘管的結構與晶體管相似。它是一種多層半導體器件，因此其名稱中的“硅”部分。它需要一個門極信號來“開啟”，這是名稱中的“可控”部分，一旦“開啟”，它的行為就像一個整流二極管，這是名稱中的“整流器”部分。實際上，晶閘管的電路符號表明該器件就像一個可控的整流二極管。

晶閘管符號

然而，與作為兩層（P-N）半導體器件的結型二極管或常用的三層（P-N-P或N-P-N）開關器件的雙極型晶體管不同，晶閘管是一種四層（P-N-P-N）半導體器件，包含三個串聯(lián)的PN結，并由所示的符號表示。

與二極管一樣，晶閘管是一種單向器件，即它只能在一個方向上導通電流，但與二極管不同的是，晶閘管可以根據(jù)其門極的觸發(fā)方式作為開路開關或整流二極管工作。換句話說，晶閘管只能在開關模式下工作，不能用于放大。

可控硅整流器（SCR）是幾種功率半導體器件之一，與三端雙向可控硅（Triac）、雙向觸發(fā)二極管（Diac）和單結晶體管（UJT）一樣，它們都能夠像非常快速的固態(tài)交流開關一樣工作，用于控制大交流電壓和電流。因此，對于電子學學生來說，這些器件非常適合用于控制交流電機、燈具和相位控制。

晶閘管是一種三端器件，標記為：“陽極”、“陰極”和“門極”，由三個PN結組成，可以以極快的速度“開啟”和“關閉”，或者可以在半周期內(nèi)以不同的時間長度“開啟”，以向負載提供選定量的功率。晶閘管的工作原理可以通過假設它由兩個背靠背連接的晶體管組成，作為一對互補的再生開關來解釋。

晶閘管的雙晶體管等效電路

晶閘管結構

雙晶體管等效電路顯示，NPN晶體管TR2的集電極電流直接饋入PNP晶體管TR1的基極，而TR1的集電極電流則饋入TR2的基極。這兩個相互連接的晶體管依賴于彼此的導通，因為每個晶體管的基極-發(fā)射極電流來自另一個晶體管的集電極-發(fā)射極電流。因此，即使存在陽極到陰極的電壓，除非其中一個晶體管獲得一些基極電流，否則不會發(fā)生任何事情。

當晶閘管的陽極端相對于陰極為負時，中間的N-P結正向偏置，但兩個外部的P-N結反向偏置，其行為非常類似于普通二極管。因此，晶閘管會阻止反向電流的流動，直到在某些高電壓水平下，兩個外部結的擊穿電壓點被超過，晶閘管在沒有門極信號的情況下導通。

這是晶閘管的一個重要負面特性，因為晶閘管可能會因反向過壓、高溫或快速上升的dv/dt電壓（如尖峰）而無意中被觸發(fā)導通。

如果陽極端相對于陰極為正，則兩個外部的P-N結現(xiàn)在正向偏置，但中間的N-P結反向偏置。因此，正向電流也被阻止。如果向NPN晶體管TR2的基極注入正電流，則產(chǎn)生的集電極電流流入晶體管TR1的基極。這反過來導致PNP晶體管TR1中的集電極電流流動，從而增加TR2的基極電流，依此類推。

典型晶閘管

兩個晶體管非常迅速地迫使彼此導通至飽和，因為它們連接在一個無法停止的再生反饋回路中。一旦被觸發(fā)導通，通過器件的陽極和陰極之間的電流僅受外部電路電阻的限制，因為器件在導通時的正向電阻可以非常低，小于1Ω，因此其上的電壓降和功率損耗也很低。

然后我們可以看到，晶閘管在“關閉”狀態(tài)下阻止交流電源的雙向電流，并且可以通過向晶體管的基極施加正電流來“開啟”并使其像普通整流二極管一樣工作，對于可控硅整流器來說，這被稱為“門極”端。

可控硅整流器的工作電壓-電流（I-V）特性曲線如下：

I-V特性曲線

特性曲線

一旦晶閘管被“開啟”并在正向（陽極為正）傳導電流，由于兩個內(nèi)部晶體管的再生鎖定作用，門極信號將失去所有控制。在再生啟動后，任何門極信號或脈沖的施加都不會產(chǎn)生任何影響，因為晶閘管已經(jīng)在導通并完全“開啟”。

與晶體管不同，SCR不能被偏置以在其阻斷和飽和狀態(tài)之間的負載線上的某個有源區(qū)域內(nèi)保持。門極“開啟”脈沖的幅度和持續(xù)時間對器件的工作影響不大，因為導通是內(nèi)部控制的。因此，向器件施加一個短暫的門極脈沖足以使其導通，并且即使門極信號完全移除，它也將保持永久“開啟”。

因此，晶閘管也可以被認為是一個具有兩個穩(wěn)定狀態(tài)“關閉”或“開啟”的雙穩(wěn)態(tài)鎖存器。這是因為在沒有門極信號的情況下，可控硅整流器會阻止交流波形的雙向電流，一旦被觸發(fā)導通，再生鎖定作用意味著它不能僅通過其門極再次“關閉”。

那么，我們?nèi)绾巍瓣P閉”晶閘管呢？一旦晶閘管自鎖到“開啟”狀態(tài)并傳導電流，它只能通過完全移除電源電壓從而移除陽極（IA）電流，或通過某些外部手段（例如打開開關）將其陽極到陰極的電流降低到通常稱為“最小保持電流”（IH）的值以下來“關閉”。

因此，陽極電流必須降低到該最小保持水平以下足夠長的時間，以使晶閘管內(nèi)部鎖定的pn結在再次施加正向電壓之前恢復其阻斷狀態(tài)，而不會自動自導通。顯然，要使晶閘管首先導通，其陽極電流（也是其負載電流IL）必須大于其保持電流值。即IL > IH。

由于晶閘管在陽極電流降低到最小保持值以下時能夠“關閉”，因此當用于正弦交流電源時，SCR將在每個半周期的交叉點附近自動“關閉”，并且正如我們現(xiàn)在所知，它將保持“關閉”狀態(tài)，直到施加下一個門極觸發(fā)脈沖。

由于交流正弦電壓在每個半周期內(nèi)不斷從正到負反轉極性，這使得晶閘管可以在正波形的180度零點處“關閉”。這種效應被稱為“自然換向”，是可控硅整流器的一個非常重要的特性。

在直流電源供電的電路中使用的晶閘管，由于直流電源電壓是連續(xù)的，因此無法發(fā)生這種自然換向條件，因此必須在適當?shù)臅r候提供其他方法來“關閉”晶閘管，因為一旦觸發(fā)，它將保持導通狀態(tài)。

然而，在交流正弦電路中，自然換向每半個周期發(fā)生一次。然后，在交流正弦波形的正半周期內(nèi)，晶閘管正向偏置（陽極為正），并且可以使用門極信號或脈沖觸發(fā)“開啟”。在負半周期內(nèi)，陽極變?yōu)樨摚帢O為正。晶閘管被該電壓反向偏置，即使存在門極信號也無法導通。

因此，通過在交流波形的正半周期內(nèi)的適當時刻施加門極信號，晶閘管可以被觸發(fā)導通直到正半周期結束。因此，相位控制（如其名）可用于在交流波形的正半周期內(nèi)的任何點觸發(fā)晶閘管，可控硅整流器的眾多用途之一是用于交流系統(tǒng)的功率控制，如圖所示。

相位控制

相位控制

在每個正半周期開始時，SCR處于“關閉”狀態(tài)。施加門極脈沖觸發(fā)SCR導通，并在整個正周期內(nèi)保持完全鎖定“開啟”狀態(tài)。如果晶閘管在半周期開始時觸發(fā)（θ = 0度），負載（燈）將在交流波形的整個正周期內(nèi)“開啟”（半波整流交流），平均電壓為0.318 x Vp。

隨著門極觸發(fā)脈沖在半周期內(nèi)施加時間的增加（θ = 0度到90度），燈的照明時間減少，傳遞給燈的平均電壓也會相應減少，從而降低其亮度。

然后，我們可以使用可控硅整流器作為交流調光器，以及用于各種其他交流電源應用，例如：交流電機速度控制、溫度控制系統(tǒng)和功率調節(jié)電路等。

到目前為止，我們已經(jīng)看到，晶閘管本質上是一個半波器件，只有在陽極為正的正半周期內(nèi)導通，而在陽極為負時像二極管一樣阻止電流流動，無論門極信號如何。

但還有更多的半導體器件屬于“晶閘管”范疇，它們可以在兩個方向上導通，即全波器件，或者可以通過門極信號“關閉”。

這些器件包括“門極可關斷晶閘管”（GTO）、“靜態(tài)感應晶閘管”（SITH）、“MOS控制晶閘管”（MCT）、“硅控開關”（SCS）、“三端雙向可控硅”（TRIAC）和“光控晶閘管”（LASCR）等，所有這些器件都有多種電壓和電流額定值，使其在非常高功率水平的應用中具有吸引力。

晶閘管總結
通常被稱為晶閘管的可控硅整流器（SCR）是一種三結PNPN半導體器件，可以視為兩個相互連接的晶體管，用于切換大電流負載。它們可以通過在門極端施加一個正電流脈沖來鎖定“開啟”狀態(tài)，并會保持“開啟”狀態(tài)，直到陽極到陰極的電流降至其最小鎖定水平以下。

晶閘管的靜態(tài)特性
晶閘管是只能在開關模式下工作的半導體器件。
晶閘管是電流操作器件，小的門極電流控制較大的陽極電流。
只有在正向偏置且向門極施加觸發(fā)電流時才會導通電流。
晶閘管一旦被觸發(fā)“開啟”，其行為類似于整流二極管。
陽極電流必須大于保持電流以維持導通。
當反向偏置時，無論是否施加門極電流，晶閘管都會阻止電流流動。
一旦被觸發(fā)“開啟”，即使不再施加門極電流，只要陽極電流高于鎖定電流，晶閘管也會保持鎖定“開啟”狀態(tài)。
晶閘管是高速開關，可以用于替代許多電路中的機電繼電器，因為它們沒有移動部件，不會產(chǎn)生接觸電弧或受到腐蝕或污垢的影響。但除了簡單地“開啟”和“關閉”大電流外，晶閘管還可以用于控制交流負載電流的平均值，而不會消耗大量功率。晶閘管功率控制的一個很好的例子是用于控制電燈、加熱器和電機速度。

在下一個教程中，我們將探討一些使用交流和直流電源的基本晶閘管電路和應用。