一文詳解晶閘管

晶閘管（Thyristor）又稱作可控硅整流器(Silicon Controlled Rectifier,SCR)，是一種pnpn 四層結(jié)構(gòu)的三端器件。晶閘管同時具有正向阻斷和反向阻斷的能力，施加一個較小的柵極電流就可觸發(fā)它由正向阻斷狀態(tài)進入導通狀態(tài)，并保持穩(wěn)定的導通特性。SCR 在導通狀態(tài)時可以被看作一個導通狀態(tài)的 PiN 整流二極管。單個功率 SCR 的額定電流值已達 5000A，額定電壓可達 8000V（即功率能夠達到 40MW）。將多個功率SCR 串聯(lián)在一起可以承受超過 100kV 以上的電壓，以配合高壓電力傳輸?shù)男枨?。SCR 可在大電流低電壓，或高電壓小電流的穩(wěn)定狀態(tài)下工作，具有功耗低及效率高的節(jié)能優(yōu)點，非常適用于交流電源電路，是大功率電子系統(tǒng)中常用的器件。已由 SCR 衍生出柵極關(guān)斷晶閘管和集成柵極換流晶閘管等多種電力電子器件。?

一個n?pn?p?晶閘管是由三個pn結(jié)J1、J2 和J3組成的，如圖 2-63 所示。在晶閘管的陽極加上負電壓就進入反向阻斷狀態(tài)，此時J1和J3結(jié)反偏，J2結(jié)正偏；由于J3結(jié)兩側(cè)摻雜濃度較高，只能承受較低的電壓，所以加在陽極的反向阻斷電壓主要是由J1結(jié)來承受。n?漂移區(qū)的摻雜濃度和厚度決定功率SCR 的反向阻斷電壓值，晶閘管在J1結(jié)和J2結(jié)之間形成類似一個基極開路的雙極晶體管；SCR 器件的擊穿電壓是由基極開路pnp 雙極晶體管J1結(jié)的擊穿電壓決定的，而不是由pn結(jié)的雪崩擊穿電壓決定的。在晶閘管的陽極施加正電壓就進入正向阻斷狀態(tài)，此時J1結(jié)和J3結(jié)正偏，而J2結(jié)則反偏，所加的正電壓幾乎全由n?漂移區(qū)承受。正向阻斷電壓主要由基極開路 npn 雙極晶體管 J2結(jié)的擊穿電壓決定，而不是由 pn 結(jié)的雪崩擊穿電壓來決定。

SCR 在正向阻斷狀態(tài)的工作原理如圖 2-64所示，圖中npn 晶體管的基極與pnp晶體管的集電極相連，而pnp 晶體管的基極則與 npn晶體管的集電極相連。在正向阻斷狀態(tài)，施加一個小的柵極電流I?可增大 npn 晶體管的基極電流I?2而提高電流增益，因此使I?2變大；而I?2又是pnp 晶體管的基極電流I?1，增大的I?1則再放大pnp 晶體管的 l?1，進而得到更大的I?2。 這種正反饋強制晶體管進入飽和區(qū)而使 SCR 的三個結(jié)都處在正偏，此時 SCR 處在導通狀態(tài)。一旦 SCR 進入導通狀態(tài)，即使關(guān)斷外部柵極電流I?，SCR 的正反饋過程仍舊能維持電流流動。

功率SCR 的電流-電壓特性曲線如圖2-65 所示，在SCR 陽極-陰極兩端加上正電壓U??使其處于正向阻斷狀態(tài)，即使未施加柵極觸發(fā)電流 （即I?= 0），當U??增大到轉(zhuǎn)折電壓（Breakover Voltage）U??時，SCR 也會發(fā)生轉(zhuǎn)折導通，此時SCR 類似一個二極管。這種pnpn 結(jié)構(gòu)的兩端器件（沒有柵極） 就成為轉(zhuǎn)折二極管(Breakover Diode, BOD)。BOD可當作電路的過電壓保護器件。在正向阻斷的 SCR 上施加柵極觸控電流I?可以使 SCR 在較低的正電壓 U??下發(fā)生轉(zhuǎn)折導通。因此，可利用柵極觸發(fā)電流I?來控制 SCR 觸發(fā)導通的時刻，較大的I?可降低轉(zhuǎn)折電壓而使 SCR 提前導通，SCR 導通后，電流I?不會隨著I?變化，即使降低或撤除I?，SCR 仍可依靠正反饋保持導通狀態(tài)。此時 SCR 是在高電流低電壓的穩(wěn)定狀態(tài)下工作，功耗很低。只有陽極電流I?低于維持電流(HoldingCurrent)I?才會回到阻斷狀態(tài)。在SCR 陽極-陰極兩端加上負電壓 U??則使其處于反向阻斷狀態(tài)，優(yōu)化p基區(qū)和n?漂移區(qū)的寬度及摻雜濃度可提高反向阻斷電壓，并降低泄漏電流，使 SCR 在高電壓小電流的穩(wěn)定狀態(tài)下工作，降低了工作功耗。

審核編輯：湯梓紅