晶闸管的原理和机理，晶闸管的特性及应用

晶闸管在功率半导体领域，它是仅次于二极管和晶体管的电子元件。它也叫做可控硅整流器，作为大电流下的开关元件，在各个领域的功率控制电路中发挥作用。

在本文中，工程师将解释此类晶闸管的原理、机理、用途和特点。

1.什么是晶闸管？

晶闸管的名称多种多样，例如“可控硅整流器”和“可控硅”，但简单来说，它们是通过开关控制电流的电子元件。

晶闸管不同于二极管和晶体管，应为它具有：

（1）它们分别称为栅极、阳极和阴极，栅极是控制端，阳极是正极，阴极是负极。

（2）它是一种半导体元件，通过向阳极和阴极之间施加电压来控制阳极和阴极之间的电流。

（3）它不能像晶体管那样放大，但它的重要特点是可以承受大电流。

功率半导体虽然表面上它的用途并不那么引人注目，但它是为了功率控制而开发的，例如转换直流和交流以及升压和降压。正因为如此，晶闸管创造了使用半导体控制电力的机会。

在功率半导体出现之前，水银整流器负责这种功率控制。水银整流器是内部为真空的玻璃容器，是利用水银的电弧放电现象进行功率转换的装置。但是，由于是玻璃，在机械上易碎，制造上又有很大的限制，可靠性不高。所以，解决替代方案就是硅晶闸管。

晶闸管于1956年由美国通用电器公司开发，当时以SCR（Silicon Controlled Rectifier）的名称发布，所以现在有时仍称SCR来指代晶闸管。

之后，在1963年，将其统一称为晶体闸流管，意思是它是一种晶体管，其操作与晶闸管的操作非常相似。

2.晶闸管的原理和机理

晶闸管具有p型半导体和n型半导体具有四层的结构。它们按pnpn的顺序排列，这意味着“pnp型”和“npn型”双极晶体管排列在一起。

此外，晶体管的一个基极和集电极分别连接到另一个集电极和基极。看起来像一个复合电路是由pnp晶体管和npn晶体管组成的。

然后，阳极端子连接到p型半导体，阴极端子连接到n型半导体，栅极端子设置为中心n型半导体或p型半导体。顺便说一下，设置在p型半导体中的栅极称为P gate，而设置在n型半导体中的栅极称为N gate。

让我们给这个晶闸管施加一个正电压。即使从阳极侧施加到阴极侧，也不会流过电流。这是因为在相邻的n型半导体和p型半导体之间形成了耗尽层。

这是半导体本身的性质，n型半导体的自由电子和p型半导体的空穴结合并相互抵消，没有携带电的载流子。即使从阴极侧施加电压也是如此。

然而，通过向栅极施加正电压并通过电流，电流会在阳极和阴极之间流动。这是因为从阳极侧提供的自由电子获得了动量，因此它们不会被 p 型半导体捕获而流入阴极侧，结果，电流流动。然而，这里的栅极信号不能施加负电压。

另一方面，一旦有电流流过，动量不会停止，即使不向栅极施加电压，电流也会继续流动。这称为保持（闩锁）并继续流动，直到电流达到零。因此，它对相机的闪光功能也很有用，一旦导通就需要保持它。所以，为了在不等待电流达到零的情况下关闭晶闸管，需要单独的元件或电路。

顺便说一下，通过外部信号任意改变元件通断的能力称为自熄能力，专用于灭弧的电路称为换向电路，但这种换向电路是必要的晶闸管。这些元件被称为他励型，但由于IGBT是不需要换流电路的自激型，因此不可否认IGBT的使用正在取得进展。

但是，在交流电源的情况下，电压变为零，因此自然关闭。此外，具有这种换向电路的晶闸管之一是GTO晶闸管。

什么是GTO？

负电流可以通过栅极，以促进阳极和阴极之间流动的自由电子的提取，并且可以停止电流以将其关闭。然而，大容量的门电路是必不可少的，因为需要大电流才能将其关闭。

3.晶闸管的便捷特性及应用

由于晶闸管的特性，在很多情况下，它有很多优点：

首先，它在大电流下具有出色的切换能力。

其次，由于可以用小信号控制大电流，因此可以用遥控器打开/关闭电视和空调等大功率电器。

此外，在这些高电流条件下使用的所有设备都必须具有保护电路。

万一过电流流过，半导体元件会受到劣化或损坏的影响，从而导致设备故障。在这种情况下，晶闸管非常适合用于保护电路。

首先，晶闸管具有即使停止从栅极施加电压时电流仍继续流动的特性。由于这些元件具有大的耐受电流容量，因此即使发生意外的浪涌电流，它们也可以发挥其功能而不会被破坏。此外，当电流变为零时，它会按原样关闭，因此可以说它对其他电路具有高截止性。

但是，与晶体管和IGBT相比，它不适合高速开关。应用包括：它适用于操作大功率电源，逆变器、电机的旋转控制以及使用开关动作的工业设备的电源控制。