一文详解晶闸管

晶闸管（Thyristor）又称作可控硅整流器(Silicon Controlled Rectifier,SCR)，是一种pnpn 四层结构的三端器件。晶闸管同时具有正向阻断和反向阻断的能力，施加一个较小的栅极电流就可触发它由正向阻断状态进入导通状态，并保持稳定的导通特性。SCR 在导通状态时可以被看作一个导通状态的 PiN 整流二极管。单个功率 SCR 的额定电流值已达 5000A，额定电压可达 8000V（即功率能够达到 40MW）。将多个功率SCR 串联在一起可以承受超过 100kV 以上的电压，以配合高压电力传输的需求。SCR 可在大电流低电压，或高电压小电流的稳定状态下工作，具有功耗低及效率高的节能优点，非常适用于交流电源电路，是大功率电子系统中常用的器件。已由 SCR 衍生出栅极关断晶闸管和集成栅极换流晶闸管等多种电力电子器件。‍

一个n⁺pn⁻p⁺晶闸管是由三个pn结J¹、J² 和J³组成的，如图 2-63 所示。在晶闸管的阳极加上负电压就进入反向阻断状态，此时J¹和J³结反偏，J²结正偏；由于J³结两侧掺杂浓度较高，只能承受较低的电压，所以加在阳极的反向阻断电压主要是由J¹结来承受。n⁻漂移区的摻杂浓度和厚度决定功率SCR 的反向阻断电压值，晶闸管在J¹结和J²结之间形成类似一个基极开路的双极晶体管；SCR 器件的击穿电压是由基极开路pnp 双极晶体管J¹结的击穿电压决定的，而不是由pn结的雪崩击穿电压决定的。在晶闸管的阳极施加正电压就进入正向阻断状态，此时J¹结和J³结正偏，而J²结则反偏，所加的正电压几乎全由n⁻漂移区承受。正向阻断电压主要由基极开路 npn 双极晶体管 J²结的击穿电压决定，而不是由 pn 结的雪崩击穿电压来决定。

SCR 在正向阻断状态的工作原理如图 2-64所示，图中npn 晶体管的基极与pnp晶体管的集电极相连，而pnp 晶体管的基极则与 npn晶体管的集电极相连。在正向阻断状态，施加一个小的栅极电流Iᴳ可增大 npn 晶体管的基极电流Iᴮ²而提高电流增益，因此使Iᶜ²变大；而Iᶜ²又是pnp 晶体管的基极电流Iᴮ¹，增大的Iᴮ¹则再放大pnp 晶体管的 lᶜ¹，进而得到更大的Iᴮ²。 这种正反馈强制晶体管进入饱和区而使 SCR 的三个结都处在正偏，此时 SCR 处在导通状态。一旦 SCR 进入导通状态，即使关断外部栅极电流Iᴳ，SCR 的正反馈过程仍旧能维持电流流动。

功率SCR 的电流-电压特性曲线如图2-65 所示，在SCR 阳极-阴极两端加上正电压Uᴬᴷ使其处于正向阻断状态，即使未施加栅极触发电流 （即Iᴳ= 0），当Uᴬᴷ增大到转折电压（Breakover Voltage）Uᴮᴼ时，SCR 也会发生转折导通，此时SCR 类似一个二极管。这种pnpn 结构的两端器件（没有栅极） 就成为转折二极管(Breakover Diode, BOD)。BOD可当作电路的过电压保护器件。在正向阻断的 SCR 上施加栅极触控电流Iᴳ可以使 SCR 在较低的正电压 Uᴬᴷ下发生转折导通。因此，可利用栅极触发电流Iᴳ来控制 SCR 触发导通的时刻，较大的Iᴳ可降低转折电压而使 SCR 提前导通，SCR 导通后，电流Iᴬ不会随着Iᴳ变化，即使降低或撤除Iᴳ，SCR 仍可依靠正反馈保持导通状态。此时 SCR 是在高电流低电压的稳定状态下工作，功耗很低。只有阳极电流Iᴬ低于维持电流(HoldingCurrent)Iᴴ才会回到阻断状态。在SCR 阳极-阴极两端加上负电压 Uᴬᴷ则使其处于反向阻断状态，优化p基区和n⁻漂移区的宽度及掺杂浓度可提高反向阻断电压，并降低泄漏电流，使 SCR 在高电压小电流的稳定状态下工作，降低了工作功耗。

审核编辑：汤梓红