晶閘管的原理和機理，晶閘管的特性及應(yīng)用

晶閘管在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，它是僅次于二極管和晶體管的電子元件。它也叫做可控硅整流器，作為大電流下的開關(guān)元件，在各個領(lǐng)域的功率控制電路中發(fā)揮作用。

在本文中，工程師將解釋此類晶閘管的原理、機理、用途和特點。

1.什么是晶閘管？

晶閘管的名稱多種多樣，例如“可控硅整流器”和“可控硅”，但簡單來說，它們是通過開關(guān)控制電流的電子元件。

晶閘管不同于二極管和晶體管，應(yīng)為它具有：

（1）它們分別稱為柵極、陽極和陰極，柵極是控制端，陽極是正極，陰極是負極。

（2）它是一種半導(dǎo)體元件，通過向陽極和陰極之間施加電壓來控制陽極和陰極之間的電流。

（3）它不能像晶體管那樣放大，但它的重要特點是可以承受大電流。

功率半導(dǎo)體雖然表面上它的用途并不那么引人注目，但它是為了功率控制而開發(fā)的，例如轉(zhuǎn)換直流和交流以及升壓和降壓。正因為如此，晶閘管創(chuàng)造了使用半導(dǎo)體控制電力的機會。

在功率半導(dǎo)體出現(xiàn)之前，水銀整流器負責這種功率控制。水銀整流器是內(nèi)部為真空的玻璃容器，是利用水銀的電弧放電現(xiàn)象進行功率轉(zhuǎn)換的裝置。但是，由于是玻璃，在機械上易碎，制造上又有很大的限制，可靠性不高。所以，解決替代方案就是硅晶閘管。

晶閘管于1956年由美國通用電器公司開發(fā)，當時以SCR（Silicon Controlled Rectifier）的名稱發(fā)布，所以現(xiàn)在有時仍稱SCR來指代晶閘管。

之后，在1963年，將其統(tǒng)一稱為晶體閘流管，意思是它是一種晶體管，其操作與晶閘管的操作非常相似。

2.晶閘管的原理和機理

晶閘管具有p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體具有四層的結(jié)構(gòu)。它們按pnpn的順序排列，這意味著“pnp型”和“npn型”雙極晶體管排列在一起。

此外，晶體管的一個基極和集電極分別連接到另一個集電極和基極?？雌饋硐褚粋€復(fù)合電路是由pnp晶體管和npn晶體管組成的。

然后，陽極端子連接到p型半導(dǎo)體，陰極端子連接到n型半導(dǎo)體，柵極端子設(shè)置為中心n型半導(dǎo)體或p型半導(dǎo)體。順便說一下，設(shè)置在p型半導(dǎo)體中的柵極稱為P gate，而設(shè)置在n型半導(dǎo)體中的柵極稱為N gate。

讓我們給這個晶閘管施加一個正電壓。即使從陽極側(cè)施加到陰極側(cè)，也不會流過電流。這是因為在相鄰的n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體之間形成了耗盡層。

這是半導(dǎo)體本身的性質(zhì)，n型半導(dǎo)體的自由電子和p型半導(dǎo)體的空穴結(jié)合并相互抵消，沒有攜帶電的載流子。即使從陰極側(cè)施加電壓也是如此。

然而，通過向柵極施加正電壓并通過電流，電流會在陽極和陰極之間流動。這是因為從陽極側(cè)提供的自由電子獲得了動量，因此它們不會被 p 型半導(dǎo)體捕獲而流入陰極側(cè)，結(jié)果，電流流動。然而，這里的柵極信號不能施加負電壓。

另一方面，一旦有電流流過，動量不會停止，即使不向柵極施加電壓，電流也會繼續(xù)流動。這稱為保持（閂鎖）并繼續(xù)流動，直到電流達到零。因此，它對相機的閃光功能也很有用，一旦導(dǎo)通就需要保持它。所以，為了在不等待電流達到零的情況下關(guān)閉晶閘管，需要單獨的元件或電路。

順便說一下，通過外部信號任意改變元件通斷的能力稱為自熄能力，專用于滅弧的電路稱為換向電路，但這種換向電路是必要的晶閘管。這些元件被稱為他勵型，但由于IGBT是不需要換流電路的自激型，因此不可否認IGBT的使用正在取得進展。

但是，在交流電源的情況下，電壓變?yōu)榱?，因此自然關(guān)閉。此外，具有這種換向電路的晶閘管之一是GTO晶閘管。

什么是GTO？

負電流可以通過柵極，以促進陽極和陰極之間流動的自由電子的提取，并且可以停止電流以將其關(guān)閉。然而，大容量的門電路是必不可少的，因為需要大電流才能將其關(guān)閉。

3.晶閘管的便捷特性及應(yīng)用

由于晶閘管的特性，在很多情況下，它有很多優(yōu)點：

首先，它在大電流下具有出色的切換能力。

其次，由于可以用小信號控制大電流，因此可以用遙控器打開/關(guān)閉電視和空調(diào)等大功率電器。

此外，在這些高電流條件下使用的所有設(shè)備都必須具有保護電路。

萬一過電流流過，半導(dǎo)體元件會受到劣化或損壞的影響，從而導(dǎo)致設(shè)備故障。在這種情況下，晶閘管非常適合用于保護電路。

首先，晶閘管具有即使停止從柵極施加電壓時電流仍繼續(xù)流動的特性。由于這些元件具有大的耐受電流容量，因此即使發(fā)生意外的浪涌電流，它們也可以發(fā)揮其功能而不會被破壞。此外，當電流變?yōu)榱銜r，它會按原樣關(guān)閉，因此可以說它對其他電路具有高截止性。

但是，與晶體管和IGBT相比，它不適合高速開關(guān)。應(yīng)用包括：它適用于操作大功率電源，逆變器、電機的旋轉(zhuǎn)控制以及使用開關(guān)動作的工業(yè)設(shè)備的電源控制。