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？

在功率半導體領域，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），是一種通過開關控制電流的半導體元件。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元件，在功率控制電路中發揮重要的作用。


02、晶閘管結構是怎么樣的？

電子元件的性能往往與其結構息息相關。

晶閘管是四層三端器件，PNPN四層半導體結構，中間形成三個PN結：J1、J2、J3，從最上面的P1層引出陽極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）。

晶閘管結構等效于“pnp型”和“npn型”兩個晶體管排列組成的復合電路。pnp晶體管的發射極和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。

下圖顯示了晶閘管的摻雜圖。注意，對應于NPN晶體管的等效發射極的陰極K被重摻雜，如N +所示。門極G也重摻雜（P +），它是PNP晶體管的等效發射極。與等效晶體管V1基極和V2集電極區域相對應的兩個中間層的摻雜程度較輕：N-和P。

03、晶閘管在什么條件下導通？

根據等效電路，我們讓兩個晶體管V1和V2都導通，晶閘管便導通。

那么怎樣才能讓V1和V2同時導通呢？（三極管的導通與截止，其實質是其內部PN結的單向導通與截止。）

首先我們在AK兩極間加上正向電壓，PN結J1和J3正偏導通，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，因此晶閘管不導通。

當晶閘管承受正向陽極電壓時，為使晶閘管導通，必須使承受反向電壓的PN結J2失去阻擋作用。

怎么做呢？

我們在GK兩極間也加上正向電壓，產生足夠的門極電流Ig流入晶體管V2。對于NPN型晶體管V2來說，此時它的發射結（J3）正偏，集電結（J2）反偏，處于放大工作狀態，Ig經過V2放大后，形成集電結電流Ic2，假設V2放大系數為β2，Ic2=β2*Ig。

由于V1的基極和V2的集電極串聯，因此，Ic2也是V1的基極電流�；鶚O電流再經過V1放大，形成集電極電流Ic1，假設V1放大系數為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，如此循環往復，形成正反饋過程，從而使晶閘管完全導通（V1和V2均放大到飽和狀態）。這個導通過程是在極短的時間內完成的，一般不超過幾微秒，稱為觸發導通過程。

簡而言之，晶閘管導通的條件是：加上陽極和門極正向電壓。

而最有意思的是，晶閘管導通后，即便去掉門極正向電壓，晶閘管依靠自身的正反饋作用仍然可以維持導通，晶閘管成為不可控——無法控制關斷。這就是晶閘管稱為“半可控元器件”的原因，即可控制導通、無法控制關斷。


04、如何關閉晶閘管？

晶閘管一旦觸發導通，便無法控制關斷。但真要關斷晶閘管，也不是沒有辦法。

關斷導通晶閘管的條件是將流過晶閘管的電流減小到一個很小的值，接近于0。

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


05、晶閘管有什么優點/缺點？

晶閘管的優點很多，例如：

• 以小功率控制大功率，功率放大倍數高達幾十萬倍；
  

• 反應極快，在微秒級內開通、關斷；
  

• 無觸點運行，無火花、無噪聲；
  

• 效率高，成本低等。
  

因此，晶閘管在整流電路、靜態旁路開關、無觸點輸出開關等電路中得到廣泛的應用，特別是在大功率UPS供電系統中。

晶閘管的弱點：靜態及動態的過載能力較差，容易受干擾而誤導通。


06、為什么晶閘管能處理大電流？

晶閘管可以用弱信號控制強信號，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，它的功率放大倍數可以達到數十萬倍以上。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不到的場合，它可以發揮作用。

那晶閘管是如何做到功率放大很多倍的呢？因為晶閘管自身的正反饋作用。

如上面提到的那樣，當晶閘管在正向門極電壓下，從門極G流入電流Ig，經過NPN管V2和PNP管V1的放大，Ig增大到：

Ig（現在）=β1*β2*Ig（原來）

增大后的Ig再流經NPN管的發射結，從而提高放大系數β2，產生足夠大的集電極電流IC2流過PNP管的發射結，并提高了PNP管的電流放大系數β1，產生更大的集電極電流IC1流經NPN管的發射結，這樣強烈的正反饋過程迅速進行，直至V1和V2飽和導通。

晶體管的放大系數β正常情況下在幾十到100多的范圍內，因此晶閘管功率放大倍數可以達到數十萬倍以上。


07、晶閘管和三極管有什么區別？

功能不一樣：晶體管的功能是檢波、整流、放大、開關、穩壓、信號調制等。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）。

優點不一樣：晶閘管的優點是以小電流（電壓）控制大電流（電壓）作用，并體積小、輕、功耗低、效率高、開關迅速等。晶體管的優點則是輸入電阻高、噪聲小、功耗低、動態范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現象、安全工作區域寬等。

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）和場效應晶體管（FET）。晶閘管按其關斷、導通及控制方式可分為普通晶閘管、雙向晶閘管、逆導晶閘管、門極關斷晶閘管（GTO）、BTG晶閘管、溫控晶閘管和光控晶閘管等多種。

結語：
自1957年誕生以來，經過幾十年的發展，如今的晶閘管已廣泛的應用在各種電路,以及電子設備中。隨著新材料的出現，新工藝的采用，單只晶閘管的電流容量從幾安發展到幾千安，耐壓等級從幾百伏提高到幾千伏，工作頻率大大提高，器件的動態參數也有很大改進。未來隨著應用領域的拓展，晶閘管將繼續沿著高電壓、大電流、快速、模塊化、功率集成化、廉價的方向發展。