晶闸管的闸是怎么回事？

只需一瞬间的触发，就能让电流奔腾不息，直到你切断电源——这就是晶闸管的神奇之处。

你有没有想过，为什么一个小小的开关能控制整栋楼的照明调光？为什么大型电机能够平稳启动而不会瞬间烧毁？这一切的背后，都有一个被称为“晶闸管”的半导体器件在默默工作。

与普通晶体管不同，晶闸管有一种独特的能力：​一旦被触发导通，即使移除触发信号，它也会保持导通状态。这种“自锁”特性让它成为了大功率控制领域的无可替代的关键器件。

01 晶闸管的结构奥秘

晶闸管，全称为晶体闸流管，也被称为可控硅整流器（SCR）。它本质上是一种四层（PNPN）三端的半导体器件，拥有三个关键电极：阳极（A）、阴极（K）和门极（G）。

从结构上看，晶闸管内部形成了三个PN结（J1、J2、J3）。这种结构可以理解为两个晶体管背靠背连接在一起​：一个PNP型晶体管和一个NPN型晶体管，它们的连接方式使得每个晶体管的输出成为另一个晶体管的输入。

这种巧妙的结构为晶闸管的“自锁”行为奠定了物理基础。门极作为控制端，只需要一个短暂的触发信号，就能启动整个导通过程。

02 三种工作状态

晶闸管在工作中表现出三种截然不同的状态，每种状态都有其独特的电气特性。

正向阻断状态：

通常，在没有电流流入栅极的情况下，晶闸管被关断：没有电流可以从阳极流向阴极，这时，他就像一个特异功能的二极管，勒紧了裤腰带，电流过不去。

这里可以将晶闸管想象成两个连接在一起的二极管，上二极管和下二极管都是正向偏置的。 但是，这意味着中心的结是反向偏置的，因此电流无法从顶部一直流到底部。这种状态称为前向阻塞。

所以，它类似于传统二极管中的正向偏置，但没有电流流动。

这时，通过将正极端子 (A) 连接到电池的正极，将负极端子 (K) 连接到电池的负极，并向晶闸管施加正偏压，如下图所示。在这种情况下，结 J 1和 J 3得到正向偏置，而结 J 2得到反向偏置。

在这里，除了作为饱和电流流动的微小电流外，电流也不能通过晶闸管，如下面特性曲线中的蓝色曲线所示。

反向阻断状态：

当我们把100V给它方向加上以后，也就是阳极加负电压，阴极加正电压时，情况与普通二极管反向偏置类似。两个外部PN结反向偏置，​电流无法流通，晶闸管保持关断状态。

现在假设我们反转阳极/阴极连接，可能会看到上下二极管都是反向偏置的，因此仍然没有电流流过晶闸管。这称为反向阻断（类似于简单二极管中的反向偏置）。

在此模式下，通过将晶闸管的阳极端子 (A) 连接到电池的负极，将阴极端子 (K) 连接到电池的正极，从而使晶闸管反向偏置 ，这导致结J 1和J 3的反向偏置，然后反过来又禁止电流流过晶闸管，尽管结J 2保持在正向偏置状态。在这种状态下，可控硅表现为典型的二极管。

正向导通状态：

第三种状态是关键的状态，我们需要阳极为正极，阴极为负极。然后，给一个电流流入栅极时，它会打开下部晶体管，然后打开上部晶体管，然后打开下部晶体管，依此类推。每个晶体管激活另一个。

我们可以将其视为一种内部正反馈，其中两个晶体管不断向彼此馈送电流，直到它们都被完全激活，此时电流可以从阳极流过它们，流向阴极。这种状态称为正向传导，这就是晶闸管“锁定”（永久保持）的方式。

可以使晶闸管 导通：

1、通过将施加在阳极端子 (A) 上的正电压增加到超过击穿电压 VB，彻底击穿它。

2、通过在栅极端子 (G) 施加正电压。

这种导通后的“自锁”特性是晶闸管最显著的特点，也是它能够用于大功率控制应用的关键。

用两个三极管来等效一下，就会更容易理解它的导通过程。

03 触发与关断机制

晶闸管的触发过程是一个正反馈过程​：门极电流使NPN晶体管导通，其集电极电流又使PNP晶体管导通，PNP晶体管的集电极电流进一步增强NPN晶体管的导通，如此循环直至两者完全饱和。

一旦导通，门极就失去了控制作用。要关断晶闸管，必须使阳极电流降到维持电流以下，这通常需要通过外部电路中断或反向偏置阳极-阴极间的电压。

这个小动画是对晶闸管如何闭锁的简单总结。还是用两个三极管来表示，顶部为 pnp，下方为 npn连接在一起，阳极、阴极和栅极构成三个外部连接。每个晶体管都充当另一个晶体管的输入。那么它是怎样工作的？

• 没有电流流入栅极，晶闸管关断，阳极和阴极之间没有电流流动。
• 当电流流入栅极时，它有效地流入下部 (npn) 晶体管的基极（输入），将其打开。
• 一旦下部晶体管打开，电流就可以流过它，激活上部（pnp）晶体管的基极（输入），也将其打开。
• 一旦两个晶体管都完全导通（“饱和”），电流就可以流过它们——从阳极到阴极的整个晶闸管。
• 由于两个晶体管相互保持导通，因此晶闸管保持导通——“锁存器”——即使栅极电流被移除。

对于特殊类型的可关断晶闸管（GTO），则可以通过在门极施加负向脉冲来强制关断，但这需要更大的控制电流和更复杂的驱动电路。

04 关键参数与特性

理解晶闸管的参数对于正确应用至关重要：

• ​额定电压​：包括断态重复峰值电压（UDRM）和反向重复峰值电压（URRM），通常选择为正常工作电压的2-3倍，以应对瞬时过电压。
• ​额定电流​：指导通状态下允许通过的最大平均电流，选择时也应留有1.5-2倍的余量。
• ​维持电流（IH）​​：保持晶闸导通所需的最小阳极电流，低于此值器件将关断。
• ​触发参数​：包括触发电压（VGT）和触发电流（IGT），实际触发信号应略大于额定值以确保可靠触发。

05 实际应用领域

晶闸管家族包括普通晶闸管、双向晶闸管（TRIAC）、可关断晶闸管（GTO）、光控晶闸管等多种类型，广泛应用于：

• ​功率调节​：灯光调光、加热器温度控制
• ​电机控制​：软启动器、调速驱动
• ​电能转换​：交流/直流整流器、直流/交流逆变器
• ​保护电路​：过电压和过电流保护装置
• ​电力系统​：高压直流输电（HVDC）和柔性交流输电系统

特别是在高压电机软启动领域，晶闸管通过控制导通角来逐渐增加电压，​消除了直接启动时5-7倍的冲击电流，大大延长了电机寿命并减少了对电网的冲击。

06 使用注意事项

晶闸管虽然强大但也相对脆弱，需要精心保护：

• ​过电压保护​：采用RC吸收回路或压敏电阻并联在器件两端
• ​过电流保护​：使用快速熔断器串联在电路中
• ​散热管理​：必须配备合适的散热器，防止结温超过额定值
• ​du/dt保护​：并联RC网络以限制电压上升率，防止误触发
• ​di/dt限制​：串联电感以限制电流上升率，避免局部过热损坏

最后

晶闸管技术仍在不断发展。现代晶闸管已经能够处理数千安培的电流和数千伏的电压，成为了电力电子领域不可或缺的核心器件。

从家用调光器到兆瓦级电力传输系统，晶闸管以其独特的“一触即锁”特性，默默地掌控着我们的电能使用方式。这种诞生于1957年的半导体器件，至今仍在照亮我们的世界——无论是字面意义还是象征意义。

一个小小的触发脉冲，就能控制汹涌的电流——这就是半导体技术的魅力所在。