為什么晶閘管能在大電流下工作？

攻城獅華哥

為什么晶閘管能在大電流下工作？

在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，除了二極管、三極管（晶體管），最重要的元器件莫過于晶閘管。

關(guān)于晶閘管的疑問，答案都在這！


01、什么是晶閘管？

晶閘管，即可控硅（SCR），是一種通過開關(guān)控制電流的半導(dǎo)體元件。與二極管、三極管這類小功率器件不同，晶閘管可作為大電流下的開關(guān)元件，在功率控制電路中發(fā)揮重要的作用。


02、晶閘管結(jié)構(gòu)是怎么樣的？

電子元件的性能往往與其結(jié)構(gòu)息息相關(guān)。

晶閘管是四層三端器件，PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，中間形成三個(gè)PN結(jié)：J1、J2、J3，從最上面的P1層引出陽(yáng)極a，從最下面的N2引出陰極k，由中間的P2層引出控制極g（門極）。

晶閘管結(jié)構(gòu)等效于“pnp型”和“npn型”兩個(gè)晶體管排列組成的復(fù)合電路。pnp晶體管的發(fā)射極和npn晶體管的基極都連在晶閘管g極上；pnp晶體管的基極則和npn晶體管的集電極串聯(lián)。

下圖顯示了晶閘管的摻雜圖。注意，對(duì)應(yīng)于NPN晶體管的等效發(fā)射極的陰極K被重?fù)诫s，如N +所示。門極G也重?fù)诫s（P +），它是PNP晶體管的等效發(fā)射極。與等效晶體管V1基極和V2集電極區(qū)域相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)中間層的摻雜程度較輕：N-和P。

03、晶閘管在什么條件下導(dǎo)通？

根據(jù)等效電路，我們讓兩個(gè)晶體管V1和V2都導(dǎo)通，晶閘管便導(dǎo)通。

那么怎樣才能讓V1和V2同時(shí)導(dǎo)通呢？（三極管的導(dǎo)通與截止，其實(shí)質(zhì)是其內(nèi)部PN結(jié)的單向?qū)�通與截止。）

首先我們?cè)贏K兩極間加上正向電壓，PN結(jié)J1和J3正偏導(dǎo)通，J2反偏截止，外加電壓幾乎全部落在J2身上，由于反偏J2阻斷電流，通過電流非常小，因此晶閘管不導(dǎo)通。

當(dāng)晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓時(shí)，為使晶閘管導(dǎo)通，必須使承受反向電壓的PN結(jié)J2失去阻擋作用。

怎么做呢？

我們?cè)贕K兩極間也加上正向電壓，產(chǎn)生足夠的門極電流Ig流入晶體管V2。對(duì)于NPN型晶體管V2來說，此時(shí)它的發(fā)射結(jié)（J3）正偏，集電結(jié)（J2）反偏，處于放大工作狀態(tài)，Ig經(jīng)過V2放大后，形成集電結(jié)電流Ic2，假設(shè)V2放大系數(shù)為β2，Ic2=β2*Ig。

由于V1的基極和V2的集電極串聯(lián)，因此，Ic2也是V1的基極電流。基極電流再經(jīng)過V1放大，形成集電極電流Ic1，假設(shè)V1放大系數(shù)為β1，Ic1=β1*Ic2=β1*β2*Ig。

由于V1的集電極和V2的基極都連在g極上，因此，Ic1=Ig，即放大后的電流又作為V2的基極電流再被放大，如此循環(huán)往復(fù)，形成正反饋過程，從而使晶閘管完全導(dǎo)通（V1和V2均放大到飽和狀態(tài)）。這個(gè)導(dǎo)通過程是在極短的時(shí)間內(nèi)完成的，一般不超過幾微秒，稱為觸發(fā)導(dǎo)通過程。

簡(jiǎn)而言之，晶閘管導(dǎo)通的條件是：加上陽(yáng)極和門極正向電壓。

而最有意思的是，晶閘管導(dǎo)通后，即便去掉門極正向電壓，晶閘管依靠自身的正反饋?zhàn)饔萌匀豢梢跃S持導(dǎo)通，晶閘管成為不可控——無法控制關(guān)斷。這就是晶閘管稱為“半可控元器件”的原因，即可控制導(dǎo)通、無法控制關(guān)斷。


04、如何關(guān)閉晶閘管？

晶閘管一旦觸發(fā)導(dǎo)通，便無法控制關(guān)斷。但真要關(guān)斷晶閘管，也不是沒有辦法。

關(guān)斷導(dǎo)通晶閘管的條件是將流過晶閘管的電流減小到一個(gè)很小的值，接近于0。

此時(shí)控制門極電壓顯然沒用，只能降低或撤掉陽(yáng)極正向電壓，或者加大電阻，又或者給陽(yáng)極換上反向電壓，來讓晶閘管電流變成小直到接近0，從而關(guān)斷晶閘管。


05、晶閘管有什么優(yōu)點(diǎn)/缺點(diǎn)？

晶閘管的優(yōu)點(diǎn)很多，例如：

• 以小功率控制大功率，功率放大倍數(shù)高達(dá)幾十萬(wàn)倍；
  

• 反應(yīng)極快，在微秒級(jí)內(nèi)開通、關(guān)斷；
  

• 無觸點(diǎn)運(yùn)行，無火花、無噪聲；
  

• 效率高，成本低等。
  

因此，晶閘管在整流電路、靜態(tài)旁路開關(guān)、無觸點(diǎn)輸出開關(guān)等電路中得到廣泛的應(yīng)用，特別是在大功率UPS供電系統(tǒng)中。

晶閘管的弱點(diǎn)：靜態(tài)及動(dòng)態(tài)的過載能力較差，容易受干擾而誤導(dǎo)通。


06、為什么晶閘管能處理大電流？

晶閘管可以用弱信號(hào)控制強(qiáng)信號(hào)，能在大電流下工作，屬于大功率器件。晶閘管用幾十到一二百毫安電流，兩到三伏的電壓可以控制幾十安、千余伏的工作電流電壓，換句話說，它的功率放大倍數(shù)可以達(dá)到數(shù)十萬(wàn)倍以上。由于元件的功率增益可以做得很大，所以在許多晶體管放大器功率達(dá)不到的場(chǎng)合，它可以發(fā)揮作用。

那晶閘管是如何做到功率放大很多倍的呢？因?yàn)榫чl管自身的正反饋?zhàn)饔?/font>。

如上面提到的那樣，當(dāng)晶閘管在正向門極電壓下，從門極G流入電流Ig，經(jīng)過NPN管V2和PNP管V1的放大，Ig增大到：

Ig（現(xiàn)在）=β1*β2*Ig（原來）

增大后的Ig再流經(jīng)NPN管的發(fā)射結(jié)，從而提高放大系數(shù)β2，產(chǎn)生足夠大的集電極電流IC2流過PNP管的發(fā)射結(jié)，并提高了PNP管的電流放大系數(shù)β1，產(chǎn)生更大的集電極電流IC1流經(jīng)NPN管的發(fā)射結(jié)，這樣強(qiáng)烈的正反饋過程迅速進(jìn)行，直至V1和V2飽和導(dǎo)通。

晶體管的放大系數(shù)β正常情況下在幾十到100多的范圍內(nèi)，因此晶閘管功率放大倍數(shù)可以達(dá)到數(shù)十萬(wàn)倍以上。


07、晶閘管和三極管有什么區(qū)別？

功能不一樣：晶體管的功能是檢波、整流、放大、開關(guān)、穩(wěn)壓、信號(hào)調(diào)制等。而普通晶閘管的功能則是可控整流（所以晶閘管也叫做可控硅）。

優(yōu)點(diǎn)不一樣：晶閘管的優(yōu)點(diǎn)是以小電流（電壓）控制大電流（電壓）作用，并體積小、輕、功耗低、效率高、開關(guān)迅速等。晶體管的優(yōu)點(diǎn)則是輸入電阻高、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼取?br />
分類不一樣：晶閘管按其引腳和極性可分為二極晶閘管、三極晶閘管和四極晶閘管。晶體管主要分為兩大類：雙極性晶體管（BJT）和場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）。晶閘管按其關(guān)斷、導(dǎo)通及控制方式可分為普通晶閘管、雙向晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、門極關(guān)斷晶閘管（GTO）、BTG晶閘管、溫控晶閘管和光控晶閘管等多種。

結(jié)語(yǔ)：
自1957年誕生以來，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今的晶閘管已廣泛的應(yīng)用在各種電路,以及電子設(shè)備中。隨著新材料的出現(xiàn)，新工藝的采用，單只晶閘管的電流容量從幾安發(fā)展到幾千安，耐壓等級(jí)從幾百伏提高到幾千伏，工作頻率大大提高，器件的動(dòng)態(tài)參數(shù)也有很大改進(jìn)。未來隨著應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，晶閘管將繼續(xù)沿著高電壓、大電流、快速、模塊化、功率集成化、廉價(jià)的方向發(fā)展。