1.1 晶闸管基础知识

在本教程中，我们将学习晶闸管的基础知识。我们会简要了解晶闸管的起源（来自可控硅和晶体管），以及晶闸管的一些应用。

如今，许多家用电器和工业电力及电机控制设备中的电力电子电路都使用晶闸管作为固态开关器件。传统的功率控制方法涉及使用可变抽头变压器、并联和串联调节器来分步产生可变电压。但这些方法成本高且效率低。后来，发明了磁放大器，以更高的可靠性实现功率的静态控制。

然而，由于控制器体积庞大且效率较低，这些方法仅限于某些特定应用。

电子方法的功率控制发展始于热电子和气体放电阀的使用。这些设备包括汞弧整流器、可控硅和点火管。可控硅是一种用于切换大电流的充气三极管。

随着半导体技术的快速发展，电子电路的小型化取代了这些热电子阀和气体放电阀，导致在许多工业应用中使用功率二极管和功率晶体管。

一种新的制造技术开发了晶闸管，其特性类似于气体管可控硅。晶闸管的名称是由“可控硅”和“晶体管”两个词组合而成的。由于可靠性提高、温度性能提升以及制造成本降低，晶闸管被广泛用于许多应用。

1957年，通用电气公司推出了首个晶闸管原型。从那时起，随着制造技术的发展以及对许多工业应用的适应性，其他具有类似特性的设备被引入，这些设备属于晶闸管家族。

该设备的基本材料是硅，因此它们被称为可控硅整流器（SCR）。然而，通常认为SCR是晶闸管家族中最古老的成员。

晶闸管是一种四层（交替的P型和N型材料）三端器件，通常用于可调整流电路。这些端子分别是阳极、阴极和门极。阳极和阴极两个端子与负载串联，并通过控制门极电流来控制通过负载的电流。

晶闸管被设计用于处理高能量水平（电压和电流）的负载，大约大于1kV和100A。即使高功率的可控硅也可以通过低电压电源（约10W和1A）进行切换或控制。因此，可控硅或晶闸管具有巨大的控制能力。

在晶闸管或可控硅整流器（SCR）发明之前，可控硅被广泛用于工业控制应用。这种设备的常见形式是弧焊整流器，它使用可控硅进行整流和逆变。可控硅是一种充气管，包含三个端子，即阳极、阴极和栅极。当栅极和阴极之间存在正电压时，可控硅被导通。以下是晶闸管（或SCR）和可控硅管的一些差异。

晶闸管或可控硅需要一个主电源和一个控制电源或信号，而可控硅需要一个较大的阳极和阴极之间的电源电压，以及一个单独的灯丝电源。一些可控硅还需要额外的电源来供电辅助二极管。
晶闸管可以在较宽的频率范围内工作，而可控硅的频率范围被限制在1kHz以内，因为可控硅中的弧光离子化和去离子化时间相对较长。
晶闸管的内部损耗远小于可控硅，因为可控硅的阳极到阴极弧电压降较高，这与所用气体的分子量成反比。
晶闸管的导通和关断时间比可控硅短，因为可控硅的电极间区域存在气体，导致其时间较长。
为了避免不必要的闪络和弧光反冲，可控硅的阳极和阴极端子之间必须有足够的间距（由于阳极到阴极电压较大），与晶闸管相比，可控硅体积更大（晶闸管尺寸和重量较小）。
晶闸管比可控硅更可靠。
晶闸管的使用寿命更长，而可控硅的使用寿命较短。
可控硅是电压控制器件，而晶闸管是电流控制器件。

晶闸管和晶体管都是三端半导体开关器件，由于它们具有体积小、效率高和成本低等优点，被广泛用于许多开关应用。

尽管晶体管也有高电压和电流等级的版本，称为功率晶体管，但这两类器件之间存在一些差异，如下所示。然而，功率晶体管和晶闸管都有各自的应用领域，它们在这些领域中被广泛使用。

对于给定尺寸，晶闸管在制造时比晶体管具有更高的电流和电压等级。

晶闸管家族器件被分为不同类型，可用于不同应用。通过在门极施加触发信号，晶闸管被导通，而其关断操作取决于功率电路配置。因此，晶闸管的外部可控性仅限于导通。

然而，一些晶闸管（下表中第12至19项）具有外部可控电路，可以通过门极或基极端子控制晶闸管的导通和关闭。晶闸管的一些类型包括：

由于晶闸管具有高开关速度和高功率处理能力，它们被广泛用于高电压和大电流的交流控制应用。通过适当的晶闸管门极信号，使用晶闸管可以控制平均输出功率。

此外，当晶闸管正向偏置时，延迟的门极信号可以产生输出的相位控制。这种相位可控性可以产生比无控整流器产生的平均电压更低的平均电压。

这是晶闸管最重要的应用。以下是晶闸管用于功率控制的应用：