可控硅

可控硅（Silicon controlled   rectifier) ，缩写为SCR，是一种半导体器件，主要用于需要小功率驱动和控制大功率设备的场合它最早诞生于20世纪50年代，由贝尔实验室的物理学家William Shockley在研究半导体时偶然发现一个晶体管的基础上进行改进，并于1964年被科学家扩展为晶闸管（thyristor），也就是现代可控硅的雏形。SCR的结构由N型和P型硅材料组成，其间夹有pnp结和npn结在某些条件下，可以通过增加正向和反向电压来控制电流。它可用作高效率的开关或调节装置、开关损耗低、可靠性高、寿命长等特点，其主要用途是用于交流控制和DC控制，如控制电视机、电冰箱、空调、电动机等家电。此后，SCR不断得到改进和发展，包括提高其性能、减小体积、降低成本等，已成为电子电气控制领域的重要器件之一。

可控硅整流器SCR是一种四层半导体结构的器件，类似于晶体管。它由三个 pn 接点组成（也就是 p 半导体、N 半导体和 p 半导体）夹在中间的 n 型半导体称为触发控制电极。在某些条件下，可以通过增加正负电压来控制电流可控硅整流器通常有两个主电极：阳极和阴极以及控制电极（栅极）阴极掺杂最重，栅极和阳极的掺杂程度较低。中心 N 型层仅轻度掺杂且比其他层厚，其优点是增加或减少材料的电子或空穴浓度，从而改变半导体材料的导电性能。在SCR器件中，阴极的重掺杂可以使其提供足够的电子到达P区的基极，从而成为驱动开关的触发电流。然而，为了防止反向漏电流过大，栅极和阳极的重掺杂程度较低。

晶闸管有三个接点，即 J1、J2 和 J3。阳极连接到具有 PNPN 结构的 P 型材料，阴极连接到 N 型材料。栅极连接到阴极附近的 P 型材料。

当触发脉冲施加到晶闸管的控制电极时，器件开始导通，电流从阳极流向阴极。导通操作后，只有当电流降至零或被反向阻断时，设备才会自动关闭。可控硅的导通能力是双向的作为开关或调节装置，它可以允许电流沿阳极流入或流出。

可控硅的工作原理涉及到半导体材料的物理特性，可以分为三个阶段

关态（Off State）：当晶闸管的控制电极未被触发时，器件处于关断状态。此时，p-n 结之间没有电流流动，即没有电压或电流可以施加于负载。该器件的电阻极高，即千兆欧姆的电阻，这是一种高度绝缘的状态。

开启过程（Turn-  process）：

当合适的电脉冲接入控制电极时，晶闸管可以开始导通，电流从阳极流向阴极，器件进入导通过程。这个过程也称为“触发（Turn-on）通过在控制电极和阳极之间填充高电压，一些额外的能量被施加到中间半导体，并且它被接通。当中间 n 半导体的实际电流长度足够高时，可以保持这种状态。

关断过程（Turn-Off   process）：相应地，关断过程将晶闸管从导通状态变为关断状态。这是通过短路控制电极和阳极来实现的（或增加阴极电压）来实现的。在这个过程中，中间的 n 半导体要损失足够的电流来恢复堵塞。此时，p-n 结之间的电流可以被离子逆转（流向阳极的电流）来维持。可控硅的工作原理是基于半导体材料的电子运动和电场，有静态运行、动态反馈和保持功能可以实现精确的功率控制。

导通特性

它可以分为单向可控硅整流器（Uni-Direction   thyristor）和双向可控硅（Bi-Direction   thyristor）

单向可控硅：又称单向晶闸管，只能单向导电，电流只能从阳极流向阴极。它适用于大多数交流电源应用，如电磁炉、交流电机控制等。

双向可控硅：也称为双向晶闸管，它可以双向导电，电流可以从阳极流向阴极、它也可以从阴极流向阳极。它广泛应用于地区电网的交流调节、直流变流器、电力电子调节、在线圈驱动器等领域，无论栅极直流电压还是反向电压，只要施加的栅极电压和栅极驱动电流足够大，双向晶闸管就会被触发导通。根据双向晶闸管的主电路电压和正负门极电压，双向晶闸管的触发情况可分为四种情况。用坐标系表示，它可以在右边分成四个象限。

T2连接到正极，T1连接到负极；g触发信号是正电压——的第一象限

T2连接到正极，T1连接到负极；g连续触发负电压——第二种现象

T2连接到负电极，T1连接到正电极；g触发信号是正电压——的第四象限

T2连接到负电极，T1连接到正电极；g触发信号是负电压——的第三象限

封装形式

外观类别：通常有螺栓形、扁平形和平底形根据其表面的覆盖层又可分为塑封可控硅和金属层可控硅塑封可控硅由于体积小，表面覆盖一层塑料外壳、价格低、结构简单，常用于批量生产。金属封装表面覆盖一层稳定的金属层，可以有效保护晶闸管，防止其被静电损坏它具有稳定性和可靠性高的优点，广泛应用于医疗设备中、高压电源等领域。

加工封装类型：可控硅的封装形式如下：TO-92、TO-126、TO-202AB、TO-220、TO-220AB、TO-3P、SOT-89、TO-251、TO-252等

电流容量

小电流可控硅：小于数十安：多用于广告牌、照明控制等小功率电器的驱动。

中电流可控硅：数百安至数千安：能够控制中等功率设备的开关，如电机控制、变频器等。

大电流可控硅：数万安：主要用于电力设备、工业设备控制等领域。

断速度分类

标准可控硅：其关断速度较慢，主要用于功率控制、电气负荷和中频炉及焊接设备等。

高速可控硅：GTO、IGCT具有高开关速度和强关断特性，主要用于电力电子设备、高压直流输电等领域。

根据可控硅的触发类型，其应用电路可分为三类

可控硅

直流(DC)信号驱动电路：电压源EG接通开关S，产生的电流流经RG向SCR提供驱动信号，该驱动信号施加到SCR的G极以接通SCR，然后栅极信号被移除，SCR保持接通。

脉冲（PULSE）信号驱动电路：可控硅DC信号驱动的功耗较大，容易导致元件温度过高为了降低工作期间的温升，SCR触发电路可以产生单个脉冲或多个脉冲来精确控制SCR触发。通常这种触发方式会和光耦一起使用，一方面起到电气隔离的作用，在电路工作时可以减少干扰信号的影响，因为晶闸管容易受到外界噪声的干扰，造成自身的误导。

交流信号驱动电路：可控硅交流信号驱动电路是日常应用中最常用的电路，它从同一个交流电源获得触发信号在正半周，SCR处于正向阻断状态，只有在一定的电压值下，驱动电极电流才能高到导通SCR。SCR的精确触发时间由电阻器R控制，而二极管D确保只有正电流施加于驱动电极。此外，在实际电路应用中，交流和脉冲信号驱动电路经常一起使用。

常见故障

开路失效（Open circuit   circuit   fault）：当SCR装置发生故障时，开路故障是最常见的故障之一。这种失效模式会导致器件完全失效，无法控制任何电流或电压此时，必须更换整个设备，才能再次使用。

短路失效（Short circuit   circuit fault）：短路故障是另一种常见的晶闸管故障模式，它发生在过载或器件使用异常的情况下。这种失效模式会导致阳极和阴极之间短路，从而导致器件烧毁或损坏。

热失效（Thermal   fault）：由于晶闸管在使用过程中会产生大量的热量，因此在高负载条件下运行时可能会发生热故障。这种失效模式会导致器件性能的退化或损坏，表现为漏电流或电沉积等缺陷。

寿命衰竭（Aging   failed）：SCR器件的寿命是有限的，其固有特性会随着时间的推移而发生微小的变化。随着使用次数的增加，器件性能可能会下降，出现漏电流电阻变大等问题。

电压击穿（Voltage   breakdown）：在使用可控硅时，当电压过高时，电流可能被电晕或电击穿，导致器件失效或烧毁。

热管理：在SCR的安装和使用过程中，需要有效地控制电流和电压，防止温度过高。可控硅在高负载或高温下使用时，需要使用散热器或风扇等工具来维持元器件的正常工作。

过电压保护：过电压是SCR失效的主要原因之一。为了防止这种情况发生，可以使用过压保护器、电压调节器或电容器和其他组件来保护SCR。

过流保护：过电流也是导致SCR失效的原因之一。当电流过大时，为了降低热损坏和击穿可控硅的风险，有必要使用过电流保护电路或断路器。

触发电路保护：可控硅的触发电路受到电流或电压干扰，可能导致设备无法正确触发。为了避免这种情况，可以增加一个电容或电感来抑制瞬时干扰电压或电流。

选择合适的规格：选择合适的SCR规格非常重要。应根据负载电压、电流和频率等参数，选择合适的晶闸管。同时，在使用过程中，必须遵循SCR的规范和说明，以避免过载、高压、在高温和其他条件下使用。