为什么晶闸管能在大电流下工作？

为什么晶闸管能在大电流下工作？

在功率半导体领域，除了二极管、三极管（晶体管），最重要的元器件莫过于晶闸管。


关于晶闸管的疑问，答案都在这！


01、什么是晶闸管？

晶闸管，即可控硅（SCR），是一种通过开关控制电流的半导体元件。与二极管、三极管这类小功率器件不同，晶闸管可作为大电流下的开关元件，在功率控制电路中发挥重要的作用。


02、晶闸管结构是怎么样的？

电子元件的性能往往与其结构息息相关。

晶闸管是四层三端器件，PNPN四层半导体结构，中间形成三个PN结：J1、J2、J3，从最上面的P1层引出阳极a，从最下面的N2引出阴极k，由中间的P2层引出控制极g（门极）。


晶闸管结构等效于“pnp型”和“npn型”两个晶体管排列组成的复合电路。pnp晶体管的发射极和npn晶体管的基极都连在晶闸管g极上；pnp晶体管的基极则和npn晶体管的集电极串联。


下图显示了晶闸管的掺杂图。注意，对应于NPN晶体管的等效发射极的阴极K被重掺杂，如N +所示。门极G也重掺杂（P +），它是PNP晶体管的等效发射极。与等效晶体管V1基极和V2集电极区域相对应的两个中间层的掺杂程度较轻：N-和P。


03、晶闸管在什么条件下导通？

根据等效电路，我们让两个晶体管V1和V2都导通，晶闸管便导通。

那么怎样才能让V1和V2同时导通呢？（三极管的导通与截止，其实质是其内部PN结的单向导通与截止。）


首先我们在AK两极间加上正向电压，PN结J1和J3正偏导通，J2反偏截止，外加电压几乎全部落在J2身上，由于反偏J2阻断电流，通过电流非常小，因此晶闸管不导通。


当晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管导通，必须使承受反向电压的PN结J2失去阻挡作用。

怎么做呢？

我们在GK两极间也加上正向电压，产生足够的门极电流Ig流入晶体管V2。对于NPN型晶体管V2来说，此时它的发射结（J3）正偏，集电结（J2）反偏，处于放大工作状态，Ig经过V2放大后，形成集电结电流Ic2，假设V2放大系数为β2，Ic2=β2*Ig。

由于V1的基极和V2的集电极串联，因此，Ic2也是V1的基极电流。基极电流再经过V1放大，形成集电极电流Ic1，假设V1放大系数为β1，Ic1=β1*Ic2=β1*β2*Ig。

由于V1的集电极和V2的基极都连在g极上，因此，Ic1=Ig，即放大后的电流又作为V2的基极电流再被放大，如此循环往复，形成正反馈过程，从而使晶闸管完全导通（V1和V2均放大到饱和状态）。这个导通过程是在极短的时间内完成的，一般不超过几微秒，称为触发导通过程。

简而言之，晶闸管导通的条件是：加上阳极和门极正向电压。

而最有意思的是，晶闸管导通后，即便去掉门极正向电压，晶闸管依靠自身的正反馈作用仍然可以维持导通，晶闸管成为不可控——无法控制关断。这就是晶闸管称为“半可控元器件”的原因，即可控制导通、无法控制关断。


04、如何关闭晶闸管？

晶闸管一旦触发导通，便无法控制关断。但真要关断晶闸管，也不是没有办法。

关断导通晶闸管的条件是将流过晶闸管的电流减小到一个很小的值，接近于0。

此时控制门极电压显然没用，只能降低或撤掉阳极正向电压，或者加大电阻，又或者给阳极换上反向电压，来让晶闸管电流变成小直到接近0，从而关断晶闸管。


05、晶闸管有什么优点/缺点？

晶闸管的优点很多，例如：


[*]以小功率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍；


[*]反应极快，在微秒级内开通、关断；


[*]无触点运行，无火花、无噪声；


[*]效率高，成本低等。


因此，晶闸管在整流电路、静态旁路开关、无触点输出开关等电路中得到广泛的应用，特别是在大功率UPS供电系统中。

晶闸管的弱点：静态及动态的过载能力较差，容易受干扰而误导通。


06、为什么晶闸管能处理大电流？

晶闸管可以用弱信号控制强信号，能在大电流下工作，属于大功率器件。晶闸管用几十到一二百毫安电流，两到三伏的电压可以控制几十安、千余伏的工作电流电压，换句话说，它的功率放大倍数可以达到数十万倍以上。由于元件的功率增益可以做得很大，所以在许多晶体管放大器功率达不到的场合，它可以发挥作用。

那晶闸管是如何做到功率放大很多倍的呢？因为晶闸管自身的正反馈作用。

如上面提到的那样，当晶闸管在正向门极电压下，从门极G流入电流Ig，经过NPN管V2和PNP管V1的放大，Ig增大到：

Ig（现在）=β1*β2*Ig（原来）
增大后的Ig再流经NPN管的发射结，从而提高放大系数β2，产生足够大的集电极电流IC2流过PNP管的发射结，并提高了PNP管的电流放大系数β1，产生更大的集电极电流IC1流经NPN管的发射结，这样强烈的正反馈过程迅速进行，直至V1和V2饱和导通。

晶体管的放大系数β正常情况下在几十到100多的范围内，因此晶闸管功率放大倍数可以达到数十万倍以上。


07、晶闸管和三极管有什么区别？

功能不一样：晶体管的功能是检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等。而普通晶闸管的功能则是可控整流（所以晶闸管也叫做可控硅）。

优点不一样：晶闸管的优点是以小电流（电压）控制大电流（电压）作用，并体积小、轻、功耗低、效率高、开关迅速等。晶体管的优点则是输入电阻高、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等。

分类不一样：晶闸管按其引脚和极性可分为二极晶闸管、三极晶闸管和四极晶闸管。晶体管主要分为两大类：双极性晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET）。晶闸管按其关断、导通及控制方式可分为普通晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、门极关断晶闸管（GTO）、BTG晶闸管、温控晶闸管和光控晶闸管等多种。

结语：
自1957年诞生以来，经过几十年的发展，如今的晶闸管已广泛的应用在各种电路,以及电子设备中。随着新材料的出现，新工艺的采用，单只晶闸管的电流容量从几安发展到几千安，耐压等级从几百伏提高到几千伏，工作频率大大提高，器件的动态参数也有很大改进。未来随着应用领域的拓展，晶闸管将继续沿着高电压、大电流、快速、模块化、功率集成化、廉价的方向发展。