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为什么晶闸管能在大电流下工作?

在功率半导体领域,除了二极管、三极管(晶体管),最重要的元器件莫过于晶闸管。

关于晶闸管的疑问,答案都在这!

01、什么是晶闸管?

晶闸管,即可控硅(SCR),是一种通过开关控制电流的半导体元件。与二极管、三极管这类小功率器件不同,晶闸管可作为大电流下的开关元件,在功率控制电路中发挥重要的作用。

02、晶闸管结构是怎么样的?

电子元件的性能往往与其结构息息相关。

晶闸管是四层三端器件,PNPN 四层半导体结构,中间形成三个 PN 结:J1、J2、J3,从最上面的 P1 层引出阳极 a,从最下面的 N2 引出阴极 k,由中间的 P2 层引出控制极 g(门极)。

晶闸管结构等效于“pnp 型”和“npn 型”两个晶体管排列组成的复合电路。pnp 晶体管的发射极和 npn 晶体管的基极都连在晶闸管 g 极上;pnp 晶体管的基极则和 npn 晶体管的集电极串联。

下图显示了晶闸管的掺杂图。注意,对应于 NPN 晶体管的等效发射极的阴极 K 被重掺杂,如 N +所示。门极 G 也重掺杂(P +),它是 PNP 晶体管的等效发射极。与等效晶体管 V1 基极和 V2 集电极区域相对应的两个中间层的掺杂程度较轻:N-和 P。

03、晶闸管在什么条件下导通?

根据等效电路,我们让两个晶体管 V1 和 V2 都导通,晶闸管便导通。

那么怎样才能让 V1 和 V2 同时导通呢?(三极管的导通与截止,其实质是其内部 PN 结的单向导通与截止。)

首先我们在 AK 两极间加上正向电压,PN 结 J1 和 J3 正偏导通,J2 反偏截止,外加电压几乎全部落在 J2 身上,由于反偏 J2 阻断电流,通过电流非常小,因此晶闸管不导通。

当晶闸管承受正向阳极电压时,为使晶闸管导通,必须使承受反向电压的 PN 结 J2 失去阻挡作用

怎么做呢?

我们在 GK 两极间也加上正向电压,产生足够的门极电流 Ig 流入晶体管 V2。对于 NPN 型晶体管 V2 来说,此时它的发射结(J3)正偏,集电结(J2)反偏,处于放大工作状态,Ig 经过 V2 放大后,形成集电结电流 Ic2,假设 V2 放大系数为β2,Ic2=β2*Ig。

由于 V1 的基极和 V2 的集电极串联,因此,Ic2 也是 V1 的基极电流。基极电流再经过 V1 放大,形成集电极电流 Ic1,假设 V1 放大系数为β1,Ic1=β1Ic2=β1β2*Ig。

由于 V1 的集电极和 V2 的基极都连在 g 极上,因此,Ic1=Ig,即放大后的电流又作为 V2 的基极电流再被放大,如此循环往复,形成正反馈过程,从而使晶闸管完全导通(V1 和 V2 均放大到饱和状态)。这个导通过程是在极短的时间内完成的,一般不超过几微秒,称为触发导通过程。

简而言之,晶闸管导通的条件是:加上阳极和门极正向电压

而最有意思的是,晶闸管导通后,即便去掉门极正向电压,晶闸管依靠自身的正反馈作用仍然可以维持导通,晶闸管成为不可控——无法控制关断。这就是晶闸管称为“半可控元器件”的原因,即可控制导通、无法控制关断。

04、如何关闭晶闸管?

晶闸管一旦触发导通,便无法控制关断。但真要关断晶闸管,也不是没有办法。

关断导通晶闸管的条件是将流过晶闸管的电流减小到一个很小的值,接近于 0。

此时控制门极电压显然没用,只能降低或撤掉阳极正向电压,或者加大电阻,又或者给阳极换上反向电压,来让晶闸管电流变成小直到接近 0,从而关断晶闸管。

05、晶闸管有什么优点/缺点?

晶闸管的优点很多,例如:

  • 以小功率控制大功率,功率放大倍数高达几十万倍;
  • 反应极快,在微秒级内开通、关断;
  • 无触点运行,无火花、无噪声;
  • 效率高,成本低等。

因此,晶闸管在整流电路、静态旁路开关、无触点输出开关等电路中得到广泛的应用,特别是在大功率 UPS 供电系统中。

晶闸管的弱点:静态及动态的过载能力较差,容易受干扰而误导通。

06、为什么晶闸管能处理大电流?

晶闸管可以用弱信号控制强信号,能在大电流下工作,属于大功率器件。晶闸管用几十到一二百毫安电流,两到三伏的电压可以控制几十安、千余伏的工作电流电压,换句话说,它的功率放大倍数可以达到数十万倍以上。由于元件的功率增益可以做得很大,所以在许多晶体管放大器功率达不到的场合,它可以发挥作用。

那晶闸管是如何做到功率放大很多倍的呢?因为晶闸管自身的正反馈作用

如上面提到的那样,当晶闸管在正向门极电压下,从门极 G 流入电流 Ig,经过 NPN 管 V2 和 PNP 管 V1 的放大,Ig 增大到:

Ig(现在)=β1β2Ig(原来)

增大后的 Ig 再流经 NPN 管的发射结,从而提高放大系数β2,产生足够大的集电极电流 IC2 流过 PNP 管的发射结,并提高了 PNP 管的电流放大系数β1,产生更大的集电极电流 IC1 流经 NPN 管的发射结,这样强烈的正反馈过程迅速进行,直至 V1 和 V2 饱和导通。

晶体管的放大系数β正常情况下在几十到 100 多的范围内,因此晶闸管功率放大倍数可以达到数十万倍以上。

07、晶闸管和三极管有什么区别?

功能不一样:晶体管的功能是检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等。而普通晶闸管的功能则是可控整流(所以晶闸管也叫做可控硅)。

优点不一样:晶闸管的优点是以小电流(电压)控制大电流(电压)作用,并体积小、轻、功耗低、效率高、开关迅速等。晶体管的优点则是输入电阻高、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等。

分类不一样:晶闸管按其引脚和极性可分为二极晶闸管、三极晶闸管和四极晶闸管。晶体管主要分为两大类:双极性晶体管(BJT)和场效应晶体管(FET)。晶闸管按其关断、导通及控制方式可分为普通晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、门极关断晶闸管(GTO)、BTG 晶闸管、温控晶闸管和光控晶闸管等多种。

结语:

自 1957 年诞生以来,经过几十年的发展,如今的晶闸管已广泛的应用在各种电路,以及电子设备中。随着新材料的出现,新工艺的采用,单只晶闸管的电流容量从几安发展到几千安,耐压等级从几百伏提高到几千伏,工作频率大大提高,器件的动态参数也有很大改进。未来随着应用领域的拓展,晶闸管将继续沿着高电压、大电流、快速、模块化、功率集成化、廉价的方向发展。

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