晶闸管是如何工作的？晶闸管具有哪些特性/分类/应用？

　　什么是晶闸管？

　　晶闸管是具有交替P型和N型材料的四层固态半导体器件。它仅用作双稳态开关，当栅极获得电流触发时导通并继续导通，直到器件两端的电压反向偏置或移除（通过其他方式）。有两种设计，它们在导致传导状态发生的原因上有所不同。三引线晶闸管栅极引线上的适度电流调节阳极至阴极电路的较大电流。当阳极和阴极之间的电位差足够大（击穿电压）时，双引线晶闸管开始传导。

　　第一批晶闸管装置于1956年上市。由于晶闸管可以通过紧凑的设备处理相对大量的功率和电压，因此它们在功率控制中具有广泛的应用，从调光器和电动机速度控制到高压直流输电。晶闸管可用于功率开关电路、继电器更换电路、逆变器电路、振荡器电路、电平检测器电路、斩波电路、调光电路、低成本定时器电路、逻辑电路、速度控制电路、相位控制电路和许多其他应用。

　　最初，晶闸管只能通过反转电流来关闭，因此用于直流电不切实际;以后的设备类型可以通过控制门信号打开和关闭。后者称为栅极关断晶闸管（GTO晶闸管）。与晶体管不同，晶闸管具有双值开关特性，这意味着它们只能完全打开或关闭，而晶体管可以处于打开和关闭状态之间。因此，晶闸管作为模拟放大器无效，但作为开关有益。

　　晶闸管如何工作？

　　P-N-P-N-P-N 晶闸管有三个结：PN、NP 和
PN。如果阴极是正极端子，则外结PN和PN正向偏置，而中心NP结反向偏置。因此，NP结可防止正电流从阳极流向阴极。在正向阻塞状态下，晶闸管被称为。同样，外部PN结可防止负电流流动。晶闸管当前处于反向阻塞模式。

　　晶闸管也可以处于正向导通状态，当它获得足够的信号打开并开始导通时，就会发生这种情况。

　　晶闸管I-V特性曲线

　　晶闸管I-V特性曲线

　　3.1 晶闸管导通

　　一旦晶闸管“导通”并正向传递电流（阳极正极），栅极信号就会失去所有控制。这是由于两个内部晶体管的再生锁存作用。再生开始后施加的任何栅极信号或脉冲都不会产生任何影响，因为晶闸管已经在导通并完全开启。

　　与晶体管不同，SCR不能偏置以在其阻塞和饱和状态之间的负载线上保持有源区。由于导通由内部控制，因此栅极“导通”脉冲的幅度和持续时间对器件的操作没有影响。然后，向设备发送短暂的栅极脉冲足以使其导通，即使完全消除栅极信号，它也会永久保持“ON”。

　　因此，晶闸管可以被认为是具有两种稳定状态的双稳态锁存器：“OFF”或“ON”。这是因为，在没有栅极信号的情况下，硅控整流器在交流电波形的两个方向上阻断电流，一旦触发导通，再生锁存机制意味着它不能简单地通过使用其栅极来“关闭”。

　　3.2 晶闸管关断

　　一旦晶闸管自锁进入其“ON”状态并通过电流，它只能通过完全消除电源电压从而消除阳极（IA）电流，或通过某些外部方式（例如打开开关）将其阳极电流降低到阴极电流以下，以低于通常称为“最小保持电流”的值，“
我H.

　　因此，阳极电流必须降低到晶闸管内部闭锁pn结的最小保持水平以下，以便在再次向器件提供正向电压而不会立即自导之前重新获得其阻塞状态。首先，晶闸管的阳极电流（也是其负载电流IL）必须大于其保持电流值。那就是我L》
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　　由于晶闸管能够在阳极电流降低到该最小保持值以下时关闭“OFF”，因此当在正弦交流电源上使用时，SCR将在每个半周期的交叉点附近的某个值处自动关闭“OFF”，并保持“OFF”，直到施加下一个栅极触发脉冲。

　　由于交流正弦电压在每个半周期内不断将极性从正极切换到负极，因此晶闸管可以在正波形的180o零点处“关闭”。这种效应被称为“自然换向”，它是可控硅整流器的一个关键特征。

　　直流电源供电电路中使用的晶闸管不能具有这种自然换向条件，因为直流电源电压是连续的，因此必须提供另一种在适当时刻“关闭”晶闸管的机制，因为一旦触发，它将保持导通。

　　另一方面，自然换向在交流正弦电路中每半周期发生一次。因此，晶闸管在交流正弦波形的正半周期内正向偏置（阳极正极），可以使用栅极信号或脉冲“ON”触发。阳极在整个负半周期变为负极，而阴极保持正极。该电压反向偏置晶闸管，即使在存在栅极信号时也能阻止其导通。

　　因此，通过在交流波形的正半部分期间在适当点施加栅极信号，可以触发晶闸管进入导通状态，直到正半周期完成。因此，相位控制（众所周知）可用于在交流波形正半部分的任何位置触发晶闸管，而交流系统的功率控制是可控硅整流器的众多应用之一，如图所示。

　　晶闸管相位控制

　　SCR 在每个正半周期开始时处于“关闭”状态。当施加栅极脉冲时，SCR进入导通状态，并在正循环期间保持完全锁存的“ON”。如果晶闸管在半周期启动（Θ=
0°）时触发，则负载（灯）将在交流波形（半波整流交流电）的整个正周期内以0.318 x Vp的高平均电压为“ON”。

　　晶闸管相位控制

　　当栅极触发脉冲的应用沿半周期（Θ= 0°至90°）增加时，灯的点亮时间较短，并且给予灯的平均电压成比例地较小，从而降低其亮度。

　　因此，可控硅整流器可用作交流调光器以及一系列其他交流电源应用，如交流电机速度控制、温度控制系统和功率调节器电路等。

　　到目前为止，我们已经了解到晶闸管只是一个半波器件，当阳极为正时，它只在周期的正半部分传导，当阳极为负时，它像二极管一样抑制电流流动，而不管栅极信号如何。

　　但是，还有其他称为“晶闸管”的半导体器件，它们可以在两个方向上导电，是全波器件，或者可以通过栅极信号“关闭”。

　　仅举几例，这些器件包括“栅极关断晶闸管”（GTO）、“静态感应晶闸管”（SITH）、“MOS控制晶闸管”（MCT）、“硅控开关”（SCS）、“三极管晶闸管”（TRIAC）和“光激活晶闸管”（LASCR），所有这些器件都提供多种电压。

　　晶闸管的应用

　　晶闸管主要用于调节高电流和电压，并经常用于控制交流电，其中电流极性的变化导致器件自动关闭，这一过程称为“过零”操作。该器件被认为是同步工作的，因为一旦触发，它就会将电流与其阴极上提供的电压传导到阳极结，无需进一步的栅极调制，即器件完全偏置。这不应与非对称操作混淆，因为输出是单向的，仅从阴极流向阳极，因此是不对称的。

　　晶闸管可用于控制相角触发控制器，也称为相燃控制器。

　　它们也可以在数字电路电源中找到，它们充当“改进型断路器”的一种形式，以防止电源故障损坏下游组件。晶闸管与耦合到其栅极的齐纳二极管配合使用，如果电源输出电压超过齐纳电压，晶闸管会将电源输出导通并短路至地（通常也会使上游断路器或保险丝跳闸）。

　　在1970年代初期，晶闸管首次大规模应用，并具有相关的触发直径，用于与彩色电视机内稳定电源相连的消费类设备。接收器的稳定高压直流电源是通过在交流电源输入的正半的下降斜率上下改变晶闸管器件的开关点来产生的（如果使用上升斜率，当器件被触发时，输出电压将始终上升到峰值输入电压，从而违背了调节的目的）。精确的开关点由直流输出电源上的负载以及交流输入波动决定。

　　几十年来，晶闸管一直被用作电视、电影和戏剧中的调光器，取代了自耦变压器和变阻器等劣质技术。它们在摄影中也被用作闪光灯（频闪）的重要组成部分。

　　不同类型的晶闸管及其用途

　　晶闸管根据其电压和电流特性以及开/关行为进行分类。

　　6.1 具有导通能力的晶闸管（单向控制）

　　1. 可控硅整流器

　　SCR是最著名的晶闸管类型。即使释放栅极电流，SCR
仍保持锁存，如上面的一般晶闸管描述所示。要解锁，必须移除阳极到阴极的电流，或者必须将阳极重置为相对于阴极的负电压。此属性是相位控制的理想选择。当阳极电流达到零时，SCR停止导通，反向电压被阻断。

　　开关电路、直流电机驱动器、AC/DC 静态开关和反相电路都需要 SCR。

　　2. 反向传导晶闸管

　　晶闸管通常只允许一个方向的电流，而阻断另一个方向的电流。另一方面，RCT由集成了反向二极管的SCR组成，可避免不必要的环路电感并降低反向电压瞬变。RCT可以在相反方向上导电，从而增强换向。

　　RCT用于大功率斩波器的逆变器和直流驱动器。

　　3.光激活可控硅整流器

　　这些也称为光触发晶闸管（LTT）。当光粒子到达这些器件的反向偏置结时，晶闸管中的电子-空穴对数量增加。如果光的强度超过特定值，晶闸管将打开。LASCR
在光源和电源转换器的开关组件之间提供完全的电气隔离。

　　LASCR 存在于高压直流输电设备、无功补偿器和大功率脉冲发生器中。

　　6.2 具有关断能力的晶闸管（单向控制）

　　当提供足够的栅极脉冲时，传统的晶闸管（如SCRs）会打开。要关闭它们，必须切断主电流。这在直流到交流和直流到直流转换电路中很麻烦，因为电流不会自然归零。

　　1. 栅极关断晶闸管 （GTO）

　　GTO与典型的晶闸管不同，它可以通过向栅极施加负电流（电压）来关闭，而无需移除阳极和阴极之间的电流（强制换向）。这意味着具有负极性的栅极信号可以关闭GTO，使其成为完全受控的开关。它也被称为门控开关或GCS。GTO的关断时间大约是类似SCR的十倍。

　　对称 GTO 具有与其正向电压额定值相当的反向阻断能力。非对称GTO缺乏显著的反向电压阻断能力。反向传导GTO由GTO和反并联二极管组成。不对称
GTO 是市场上最常见的类型。

　　2.MOS关断晶闸管（MTO）

　　MTO是GTO和MOSFET的组合，可提高GTO的关断能力。GTO需要高栅极关断电流，峰值幅度为阳极至阴极电流（电流待控制）的20-35%。MTO包含两个控制端子，一个用于导通栅极，另一个用于关断栅极，也称为MOSFET栅极。

　　为了激活 MTO，需要给出足够大的栅极脉冲，使晶闸管闭锁（类似于 SCR 和 GTO）。

　　向 MOSFET 栅极施加一个电压脉冲以关断 MTO。当 MOSFET 导通时，它会使 NPN
晶体管的发射极和基极短路，从而防止锁存。它比GTO快得多（约1-2秒），其中发送到GTO栅极的巨大负脉冲试图从NPN晶体管的基极中提取足够的电流。此外，较短的时间（MTO）消除了与电流传输相关的损耗。

　　MTO 用于从 20 MVA 到电机驱动器、柔流线路传输 （FACT） 和高功率电压源逆变器的高压应用。

　　GTO用于直流和交流电机驱动，大功率逆变器和交流稳定电源。

　　3.发射极关断晶闸管（ETO）

　　与MTO一样，ETO有两个端子，一个用于常规栅极，另一个用于与MOSFET串联的第二个栅极。

　　两个栅极都提供正电压以打开 ETO，这会导致 NMOS 打开和 PMOS 关闭。当正电流引入通常的栅极时，ETO开启。

　　当向MOSFET栅极提供负电压信号时，NMOS关闭并将所有电流从阴极传输出去。闭锁过程终止，ETO 关闭。

　　ETO用于大功率电压源逆变器，柔流线路传输（FACT）和静态同步补偿器（STATCOM）。

　　6.3 双向控制

　　到目前为止，已经讨论的晶闸管一直是单向的，并已被用作整流器，DC-DC转换器和逆变器。为了将这些晶闸管用于交流电压控制，其中两个必须反向并联耦合，从而产生两个带有额外导线连接的独立控制电路。双向晶闸管在触发时可以在两个方向上传导电流，专门用于解决这个问题。

　　1. 交流电三极管（双向可控硅）

　　在SCR之后，可控硅是最常使用的晶闸管。它们可以调节交变波形的两半，从而更有效地利用可用功率。另一方面，TRIAC由于其固有的非对称结构，通常仅用于低功耗应用。当在每个半周期内以不同的栅极电压切换时，TRIAC在高功率应用中有一些缺点。这会在系统中产生更多的谐波，导致不平衡并影响EMC性能。

　　低功率TRIAC用于调光器，电风扇和其他电动机的速度控制器以及家用电器的计算机控制电路。

　　2. 交流二极管 （DIAC）

　　DIACS是低功耗器件，通常与三端双向可控硅串联使用（与可控硅的栅极端子串联）。

　　由于可控硅本质上是不对称的，因此DIAC会阻止任何电流流过可控硅的栅极，直到DIAC在任一方向上达到其触发电压。这保证了交流开关中使用的三端双向可控硅在两个方向上均匀触发。

　　灯泡调光器包含 DIACs。

　　3. 交流电用硅二极管 （SIDAC）

　　在电气上，SIDAC 的行为类似于 DIAC。与 DIAC 相比，SIDC 提供更高的击穿电压和更强的功率处理能力。SIDAC
是一种五层设备，可以单独用作开关，而不是用作另一个开关设备的触发器（如 DIAC用于 TRIAC）。

　　如果施加的电压匹配或超过击穿电压，SIDAC
开始传导电流。即使施加的电压发生变化，它也会保持这种导通状态，直到电流降低到额定保持电流以下。然后，SIDAC返回到其非导电状态以再次开始循环。

　　SIDAC存在于松弛振荡器和其他专用设备中。