晶闸管的导通条件_晶闸管的门极触发电流

在功率半导体行业，晶闸管无疑是不可或缺的重要元件之一。作为可控硅的一种，它在电流控制方面的独特能力，使其在各种电路中发挥着关键作用。

晶闸管，又称为可控硅（SCR），是一种能够通过开关方式控制电流的半导体器件。不同于传统的小功率器件如二极管和三极管，晶闸管能够在大电流条件下作为开关元件，广泛应用于功率控制电路中。

元件的性能往往与其内部结构紧密相关。晶闸管由四层半导体材料构成，形成PNPN的结构，其中包括三个PN结：J1、J2和J3。阳极a从顶部的P1层引出，阴极k则从底部的N2层引出，而控制极g则来自中间的P2层。

从结构上看，晶闸管等同于“pnp型”和“npn型”晶体管的复合电路。具体而言，pnp晶体管的发射极与npn晶体管的基极连接到晶闸管的g极；而pnp晶体管的基极与npn晶体管的集电极则串联连接。

下图展示了晶闸管的掺杂图，其中NPN晶体管等效发射极的阴极K被重掺杂，而门极G也同样重掺杂（P+）。两个中间层的掺杂程度较轻，分别是N-和P。

根据其等效电路，可以通过同时使两个晶体管V1和V2导通，使得晶闸管也随之导通。如何实现V1和V2的同时导通呢？三极管的导通与截止本质上是其内部PN结的单向导通与截止的过程。

我们需要在阳极和阴极之间施加正向电压，这样PN结J1和J3将会正偏导通，而J2则反偏截止。外加电压几乎全部作用于J2，由于J2反偏阻断电流，导致流经晶闸管的电流极小，因而晶闸管并未导通。

为了让晶闸管成功导通，需要使得承受反向电压的PN结J2失去阻挡能力。这时，我们在控制极GK两端也施加正向电压，产生足够的门极电流Ig流入晶体管V2。对于NPN型晶体管V2，发射结（J3）正偏，集电结（J2）反偏，进入放大状态。Ig经过V2放大后形成集电结电流Ic2。假设V2的放大系数为β2，那么Ic2可以表示为：Ic2=β2Ig。

由于V1的基极与V2的集电极相连，因此Ic2同样是V1的基极电流。这个基极电流再经过V1放大，形成集电极电流Ic1，假设V1的放大系数为β1，则可表示为：Ic1=β1Ic2=β1β2Ig。

由于V1的集电极和V2的基极都连接至g极，因此可以得出：Ic1=Ig，放大后的电流又会作为V2的基极电流继续被放大。如此反复，形成正反馈过程，使得晶闸管完全导通，V1和V2都达到饱和状态。这个导通过程在极短的时间内完成，通常不超过几微秒，称之为触发导通过程。

简单来说，晶闸管导通的基本条件是：加上阳极和门极的正向电压。

有趣的是，一旦晶闸管导通，即便去掉门极的正向电压，它也能依靠自身的正反馈维持导通状态，这使得晶闸管变成了不可控状态——一旦导通便无法轻易关断，这便是晶闸管被称为“半可控元件”的原因。它可以控制导通，但关断却是另一回事。

尽管晶闸管一旦触发导通后无法直接控制关断，但其实并非毫无办法。要想关断已导通的晶闸管，需要将流过其的电流减小到接近于零。此时控制门极电压的作用有限，只能通过降低或撤掉阳极的正向电压，增加电阻，甚至施加反向电压来使得电流逐渐降至零，从而实现关断。

晶闸管的优点不胜枚举。例如：

能以小功率控制大功率，功率放大倍数高达数十万倍；

响应极快，能够在微秒级别内完成开通与关断；

无触点运行，避免了火花和噪声；

高效率，且成本较低。

晶闸管在整流电路、静态旁路开关以及无触点输出开关等应用中表现优异，尤其在大功率不间断电源（UPS）系统中更是不可或缺。

晶闸管的缺点也值得注意，它在静态和动态下的过载能力较差，容易受到干扰而产生误导通。

晶闸管凭借其弱信号控制强信号的特性，可以在高电流环境下工作，属于大功率器件。仅需几十到一二百毫安的电流，施加两到三伏的电压便能控制几十安甚至千余伏的工作电流。这意味着它的功率放大倍数能够达到数十万倍以上，因而在许多晶体管放大器无法胜任的场合，晶闸管可发挥重要作用。

那么，晶闸管如何实现如此巨大的功率放大呢？正是依赖于自身的正反馈机制。如前所述，当晶闸管在正向门极电压作用下，从门极G流入电流Ig，经过NPN管V2和PNP管V1的放大后，Ig增大为：

Ig（当前）=β1β2Ig（原始）

经过增大后的Ig再流经NPN管的发射结，进一步提高放大系数β2，从而产生足够大的集电极电流IC2流过PNP管的发射结，并提升PNP管的电流放大系数β1，最终形成更大的集电极电流IC1流经NPN管的发射结。这个强烈的正反馈过程迅速进行，直至V1和V2饱和导通。

晶体管的放大系数β在正常情况下通常在几十到一百多的范围内，因此晶闸管的功率放大倍数能达到数十万倍以上。

功能上存在区别：

晶体管的主要功能包括检波、整流、放大、开关、稳压和信号调制等；而普通的晶闸管则专注于可控整流，因此也被称为可控硅。

优点上各有千秋：

晶闸管的优势在于可以通过小电流（或电压）控制大电流（或电压），其体积小、重量轻、功耗低、效率高且开关迅速。而晶体管则以高输入电阻、低噪声、低功耗、宽动态范围等特点见长。

分类上有所不同：

晶闸管根据引脚和极性可分为二极晶闸管、三极晶闸管及四极晶闸管等。而晶体管则主要分为双极性晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET）。晶闸管

根据其导通、关断和控制方式，又可分为普通晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、门极关断晶闸管（GTO）、BTG晶闸管、温控晶闸管和光控晶闸管等多种类型。

自1957年问世以来，晶闸管经历了数十年的发展，已广泛应用于各类电路和电子设备中。随着新材料的不断出现和新工艺的引入，单只晶闸管的电流容量从最初的几安培提升至几千安培，耐压等级也从几百伏提高到几千伏，工作频率显著提升，其动态参数也有了显著改善。

展望未来，晶闸管的发展将朝着高电压、大电流、快速、模块化和功率集成化的方向迈进，成本也将不断降低。

如今，晶闸管在工业、交通、通信和消费电子等多个领域的应用愈发广泛，展现出其强大的适应性和持续发展的潜力。其在电力电子技术中的重要性将随着新兴技术的发展而不断增强，为现代社会的电力控制和能源管理提供更加高效和可靠的解决方案。

总体来看，晶闸管以其卓越的性能和广泛的应用领域，已成为功率半导体技术的核心元件之一。未来，随着技术的进步，晶闸管的设计和应用将进一步优化，以满足不断变化的市场需求。