带你了解接近完美的半导体开关：可控硅（晶闸管）！

可控硅(Silicon Controlled Rectifier,简称SCR)，是可控硅整流元件的简称，是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件，亦称为晶闸管。具有体积小、结构相对简单、功能强等特点，是比较常用的半导体器件之一。

家用电器中的调光灯、调速风扇、空调机、电视机、电冰箱、洗衣机、照相机、组合音响、声光电路、定时控制器、玩具装置、无线电遥控、摄像机及工业控制等都大量使用了可控硅器件。

假如没有电流无法随时关断的缺点，那晶闸管就是完美的半导体开关。下面小编就为大家简单介绍一下晶闸管吧！

晶闸管的结构和工作原理

本文主要是想简单聊聊晶闸管的触发条件及特性，在此之前，需要先了解一下它的结构和工作原理。

晶闸管的基本结构和由两个双极型晶体管组成的等效模型

晶体管工作原理

小编不想在此占用过多篇幅，想了解更多内容可以直接百度，这方面并不是什么秘密，很容易搜到！

触发条件

晶闸管可分成两个子晶体管，一个pnp晶体管和一个npn晶体管，这两个晶体管的共基极电流增益分别为α1和α2。

晶闸管分解成两个子晶体管及其等效电路

静态伏安特性

接下来，我们讨论一下晶闸管的I(V)特性。完整的晶闸管电流-电压特性曲线如下图所示，整条I(V)曲线由一个亚稳态区域和三个稳态区域组成。

晶闸管的电流-电压特性

• 晶闸管触发（稳态）：在这个区域，晶闸管擎住，即电流只由外电路限制；

• 正向阻断（稳态）：在这个模式下施加的是正阳极电压，但没有电流（只有小的漏电流）；

• 过渡阶段（亚稳态）：过渡阶段处于正向阻断和擎住阶段之间，在这个过程中要经历一个亚稳态阶段，这时晶闸管对条件的微小变化都很敏感，发展趋势是正向阻断或完全擎住的状态；

• 反向阻断（稳态）：施加一个反向电压（阳极相对阴极是负的），晶闸管不导通。通常晶闸管的反向阻断电压接近最大正向阻断电压的范围内。

由于篇幅所限，更加详细的讨论可以浏览《功率半导体器件与应用》一书

开通特性

通过上文，我们已经非常清楚为了开通一个晶闸管必须满足的触发条件（α1+α2=1）。达到这一目的有多种办法，下面简要了解一下可能采用的开通技术：

• 控制电流触发（门极触发）：这是最广泛应用的方法，施加一个足够大的门极电流使晶闸管导通。

• 静态电压触发（也叫转折电压触发）：当阳极-阴极电压上升到转折电压时，早期效应会导致晶闸管的自发开通。

• 动态电压触发（dv/dt触发）：如果阳极-阴极电压的导数超过了某个值，则容性位移电流会触发晶闸管。

• 光触发：晶闸管必须经特殊工艺处理才能实现这种触发。它的机理非常简单：光照射到阻断的pn结J2上，激发电子空穴对。电子和空穴被耗尽层电场分开，电子移向n基区，空穴移向p基区。光激发电流和外部施加的大触发电流有着相同的效果。

• 温度触发：事实上所有决定双极型晶体管放大倍数的参量都有一个正的温度系数。因此α1+α2随温度的升高而增大，直到最终触发发生。一般来说，这种开通模式是非常不希望出现的，它是决定晶闸管运行温度上限的几个主要决定因素之一。

关断特性

为了使晶闸管从导通状态进入阻断状态，必须移除基极中的过量载流子，在反向偏置pn结J2上重新建立耗尽层。有多种移除过量载流子的方法：

• 晶闸管电流中断，通过复合移除存储电荷；

• 借用负载终端主动移除过程电荷，方法是使阳极-阴极电压反向；

• 通过门极主动移除过量电荷（门极辅助关断）。

为了详细考察强制关断，请大家考虑下图所示的电路。图中电压突然改变，因此利用图中电路进行关断叫作突变换流。

突变换流测试电路

在t=0-时刻，即关断前一瞬间，假设开关S位于位置“1”，晶闸管擎住，电流为IA0。

在t=0时刻，开关S打向“2”。下图给出了这是应该出现的电压电流波形以及等离子移除过程。

突变关断过程中的电流电压曲线

突变关断过程中晶闸管内的等离子移除过程