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(gè)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(jī)理、用途和特點(diǎn)。

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(jiǎn)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(fù)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(diǎn)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?yàn)槿绱耍чl管創(chuàng)造了使用半導(dǎo)體控制電力的機(jī)會(huì)。

在功率半導(dǎo)體出現(xiàn)之前，水銀整流器負(fù)責(zé)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(jìn)行功率轉(zhuǎn)換的裝置。但是，由于是玻璃，在機(jī)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(dāng)時(shí)以SCR（Silicon Controlled Rectifier）的名稱發(fā)布，所以現(xiàn)在有時(shí)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(jī)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(gè)基極和集電極分別連接到另一個(gè)集電極和基極。看起來像一個(gè)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(gè)晶閘管施加一個(gè)正電壓。即使從陽極側(cè)施加到陰極側(cè)，也不會(huì)流過電流。這是因?yàn)樵谙噜彽膎型半導(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(huì)在陽極和陰極之間流動(dòng)。這是因?yàn)閺年枠O側(cè)提供的自由電子獲得了動(dòng)量，因此它們不會(huì)被 p 型半導(dǎo)體捕獲而流入陰極側(cè)，結(jié)果，電流流動(dòng)。然而，這里的柵極信號(hào)不能施加負(fù)電壓。

另一方面，一旦有電流流過，動(dòng)量不會(huì)停止，即使不向柵極施加電壓，電流也會(huì)繼續(xù)流動(dòng)。這稱為保持（閂鎖）并繼續(xù)流動(dòng)，直到電流達(dá)到零。因此，它對(duì)相機(jī)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(dá)到零的情況下關(guān)閉晶閘管，需要單獨(dú)的元件或電路。

順便說一下，通過外部信號(hào)任意改變?cè)〝嗟哪芰ΨQ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(lì)型，但由于IGBT是不需要換流電路的自激型，因此不可否認(rèn)IGBT的使用正在取得進(jìn)展。

但是，在交流電源的情況下，電壓變?yōu)榱悖虼俗匀魂P(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(fù)電流可以通過柵極，以促進(jìn)陽極和陰極之間流動(dòng)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?yàn)樾枰箅娏鞑拍軐⑵潢P(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(diǎn)：

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(hào)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(hù)電路。

萬一過電流流過，半導(dǎo)體元件會(huì)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(hù)電路。

首先，晶閘管具有即使停止從柵極施加電壓時(shí)電流仍繼續(xù)流動(dòng)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(huì)被破壞。此外，當(dāng)電流變?yōu)榱銜r(shí)，它會(huì)按原樣關(guān)閉，因此可以說它對(duì)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(jī)的旋轉(zhuǎn)控制以及使用開關(guān)動(dòng)作的工業(yè)設(shè)備的電源控制。