晶闸管应用特性和工作原理介绍

晶闸管，也叫做可控硅整流器（旧标准中用字母“SCR”表示），虽然看起来是不常用的电子元器件，但它们对于控制电源电路特别有用。

因此，晶闸管用于许多功率控制应用，通常是电流和电压水平相对较高的应用。晶闸管也可用于低功率应用，包括灯光控制，以及电源保护和许多其他应用。晶闸管使用简单且价格便宜，使其成为许多电路的理想选择。

晶闸管的想法起源于1950年，是威廉·肖克利首次提出了这种设备的想法。尽管几年后其他人对该设备进行了一些研究，但直到1960年代初它们才被应用。晶闸管问世后，很快就流行用于电子开关和电源电路。

晶闸管的概念

晶闸管可能被认为是一种相当不寻常的电子元件形式，因为它由四层不同掺杂的硅组成，而不是传统双极晶体管的三层。

传统双极晶体管可能具有pnp或npn结构，其电极称为集电极、基极和发射极，而晶闸管具有pnpn结构，其外层的电极称为阳极（n 型）和阴极（p-类型）。可控硅的控制端称为栅极，它连接到与阴极层相邻的 p型层。

晶闸管通常由硅制成，尽管理论上可以使用其它类型的半导体。将硅用于晶闸管的第一个原因是硅是理想的选择，因为它具有整体特性。它能够处理高功率应用所需的电压和电流。此外，它具有良好的热性能。第二个主要原因是硅技术成熟，广泛用于各种半导体器件。因此，半导体制造商将其用于他们的电子元件非常便宜且容易。

晶闸管的主要应用

晶闸管用于许多电子领域，它们在各种不同的应用中都有用处。下面概述了它们的一些更常见的应用：

• 交流电源控制（包括灯、电机等）。
• 交流电力电子开关。
• 电源过压保护撬棒。
• 相角触发控制器中的控制元件。
• 在摄影闪光灯中，它们充当电子开关，通过闪光灯释放存储的电压，然后在需要的时间将其切断。
• 晶闸管能够切换高压并承受反向电压，使其成为电子切换应用的理想选择，尤其是在交流场景中。

晶闸管的工作原理

晶闸管的工作方式与其他设备不同，通常没有电流流过设备。但是，如果在器件两端连接了电源，并且少量电流注入栅极，则器件将“触发”并导通。它将保持在导通状态，直到电源被移除。

要了解晶闸管的工作原理，有必要查看晶闸管等效电路。为了便于解释，晶闸管电路可以被认为是两个背靠背的晶体管。发射极连接到晶闸管阴极的第一个晶体管是NPN晶体管，而发射极连接到晶闸管阳极的第二个晶体管SCR是PNP晶体管。栅极连接到NPN晶体管的基极，具体如下图所示。

当在晶闸管上施加电压时，没有电流流动，因为两个晶体管都不导通。但是，如果向栅极施加电压，则会导致电流在基极中流动，从而导致TR2开启。一旦TR2开启，这会拉低 TR1的基极，导致该晶体管开启，进而推动电流通过TR2的基极，这意味着即使移除了栅极电压，该器件仍将保持开启状态。

晶闸管符号和基础知识

晶闸管或可控硅整流器SCR是一种具有许多不寻常特性的半导体器件。它具有阳极、阴极和栅极三个端子，体现了热电子阀/真空管技术。正如所述，栅极是控制端子，而主电流在阳极和阴极之间流动。

从下图的电路符号可以想象，该器件是一种“单向器件”，由此产生了可控硅的GE名称。因此，当设备与交流电一起使用时，它最多只能导通半个周期。

在操作中，晶闸管最初不会导通。它需要一定水平的电流才能流入栅极以“触发”它。一旦触发，晶闸管将保持导通状态，直到阳极和阴极两端的电压被移除——这显然发生在晶闸管导通的半周期结束时。由于整流器动作，下一个半周期将被阻塞。然后它将需要栅极电路中的电流来再次触发SCR。这样晶闸管可以用作电子开关。

用于电路图或电路的可控硅、可控硅或晶闸管符号旨在强调其整流器特性，同时也显示控制门。因此，晶闸管符号显示了传统的二极管符号，控制栅极进入结附近。

晶闸管电路和设计注意事项

晶闸管的特性是，当栅极接收到触发电流时，它会触发晶闸管，使电流流动，直到阳极和阴极之间的电压被移除。这使晶闸管能够切换高电压和高电流，尽管它仅超过周期的一半。电路可以调暗灯光、控制电机并通常切换高电压和电流。

其它类型的晶闸管

有许多不同类型的晶闸管——这些是基本元件的变体，但它们提供了不同的功能，可以在各种情况下使用，并且可能对某些电路有用。

1、反向导通晶闸管（RCT）：虽然晶闸管通常会阻止反向电流，但有一种称为反向导通晶闸管的形式，它具有集成的反向二极管以提供反向导通，尽管在这个方向上没有控制。

在反向导通晶闸管内，器件本身和二极管不会同时导通。这意味着它们不会同时产生热量。因此它们可以集成在一起并一起冷却。

RCT可用于需要反向或续流二极管的地方。反向导通晶闸管常用于变频器和逆变器。

栅极辅助关断晶闸管（GATT）：   GATT用于需要快速关断的情况。为了协助这个过程，有时可以施加负栅极电压。除了降低阳极阴极电压。这种反向栅极电压有助于排出存储在n型基区上的少数载流子，并确保栅极—阴极结不会正向偏置。、

GATT的结构与标准晶闸管类似，只是由于更靠近阴极中心，因此通常使用窄阴极条来使栅极具有更多控制权。

门极关断晶闸管（GTO）：GTO有时也称为门极关断开关。该器件在晶闸管系列中是不寻常的，因为它可以通过简单地向栅极施加负电压来关闭，不需要移除阳极阴极电压。

非对称晶闸管：该器件用于晶闸管看不到反向电压的电路，因此不需要整流器能力。由此产生的n基区提供了降低的Von以及改进的导通时间和关断时间。

总结