• 1. 晶闸管(可控矽)基础知识
  • 1.1. 单向可控矽
    • 1.1.1. 工作原理
    • 1.1.2. 伏安特性曲线
  • 1.2. 双向可控矽
    • 1.2.1. 双向矽的原理剖析
      • 1.2.1.1. T2接正极T1接负极
      • 1.2.1.2. T1接正极T2接负极
    • 1.2.2. 双向可控矽的主要特点

晶闸管又被矽可控元件，是由三个PN结构成的一个大功率半导体器件，多用于可控整流、逆变、调压等电路，也作为无触点开关。可控矽可以分为单向可控矽和双向可控矽以及门级关断晶闸管（GTO），它们的符号如下图所示：

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1.1. 单向可控矽

单向可控矽内部结构示意图如下图所示：
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它由四层半导体材料组成，四层材料由P型半导体和N型半导体交替组成，它们的接触面构成了三个PN结。故单向可控矽也被称为四层器件。P1区引出线为阳极A，N2引出线为阴极C，P2区引出线为控制极G。为了更好理解单向可控矽的工作原理，可以将单向可控矽拆为PNP型晶体管和NPN型晶体管相连。

1.1.1. 工作原理

当单向可控矽的阳极A和阴极C之间施加正向电压，而控制极G不施加电压，则中间对应的PN结处于反偏（电场方向和PN结方向相反）——J2反向偏置，管子不导通，组处于阻断状态。

当单向可控矽阳极A和阴极C之间施加正向电压，且控制极G和阴极C之间也施加正向电压，如下图所示：
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通过等效电路分析，T2管导通。若T2管的基极电流为i_{B2}，则集电极电流为beta _2 i_{B2}；进一步有：i_{B1}=i_{C2}=beta_2 i_{B2}，从而i_{C1}=beta_1 i_{B1}=beta_1beta_2i_{B2}，又由于i_{B2}=i_{C1}，再一次进行上述放大过程，形成正反馈。因在很短时间内（不超过几微秒）两只管子均进入饱和状态，使晶体管完全导通。晶体管一旦导通之后，控制极就失去作用，管子依靠内部的正反馈始终维持在导通状态（这是由于晶体管导通后，BG2的基极始终有BG1的集电极电流提供触发电流，因此控制极只在刚接上触发信号(电压)的那—瞬间才“触发”作用）。 单向可控矽导通之后，阳极和阴极之间的电压一般为0.6sim 1.2V。电源电压几乎全部加在负载上。阳极电流i_A因型号不同可达几十到几千安。

单向可控矽如何从导通变为阻断呢？

1. 如果阳极电流i_A减小到一定数值I_H，导致单向可控矽不能维持正反馈过程，管子将关断，这种关断称为正向阻断，I_H称为维持电流。
2. 如果阳极和阴极之间施加反向电压，单向可控矽也将会关断，这种关断称为反向阻断。

1.1.2. 伏安特性曲线

单向可控矽控制极电流i_G为参变量，阳极电流i与阳极和阴极之间的电压u的关系称为单向可控矽的伏安特性：

i=f(u)|_{I_G}

伏安特性曲线如下图所示：

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1. 当I_G=0时，u逐渐增大，在一定限度内，由于J2处于反向偏置，则i是很小的漏电流，曲线与二极管反向特性类似，当u增大到一定数值时，i骤然增大，u迅速下降，曲线与二极管正向特性类似，这种导通容易造成单向可控矽击穿而损坏（由于J2处于击穿状态），因此需要避免。使单向可控矽从阻断到导通阴阳极的电压u称为转折电压U_{BO}
2. 正常工作时，应在控制极和阴极之间施加正向电压，因而I_G>0。而I_G越大，U_{BO}越小
3. u<0时伏安特性称为反向特性，单向可控矽的反向特性和二极管的反向特性相似。由于阳极和阴极之间施加反向电压时，由于J1和J3处于反向偏置，因而只有很小的反向电流I_R，当反向电压增大到一定数值时，反向电流骤然增大，管子击穿。

1.2. 双向可控矽

相比于单向可控矽，双向可控矽在原理上最大的区别就是能双向导通，不再有阳极阴极之分。结构如下图所示：
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如果不考虑G级的不同，把它分割上述中间图所示，可以看出相当于两个单向可控矽反向并联而成，如上图右图所示。

当T1与T2之间接通电源后

1. 给G极正向触发信号（相对于T1、T2所接电源负极而言），其工作原理如前面单向可控矽完全相同。
2. 给G极负向触发信号（相对于T1、T2所接电源负极而言），其工作原理如下图所示，此时Q_3的基极和发射极处于正偏而致使Q_3导通，继而Q_1导通给电容C充电后致Q_2导通并保持导通状态

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1.2.1. 双向矽的原理剖析

根据双向可控矽的内部结构，其内部结构依据采用我们熟悉的晶体管来设计一种类似有双向可控矽工作工作原理的触发电路。电路如下图所示：
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此电路结构是双向可控矽的内部结构等效情况。由于N1,N31,N32区的浓度比N2区浓度高，因此内部电流在外界所接电源的极性不同而有两种流向：

1. I_{t12}：表示从T1流入，T2流出。即流入过程是从P2流入经N2-P1-N1流出
2. I_{t21}：表示从T2流入，T1流出。即流入过程是从P1流入经N2-P1-N32流出

而触发电流：

1. I_g正向电流从P2流入
2. I_g负向电流从N31流出

1.2.1.1. T2接正极T1接负极

1. 当G极接正电压时，由于T2正极T1负极则Q6、Q7处于反向截止，Q5和Q1的B极和E极之间无正偏压也处于截止状态。G极的正电压由P2输入后经R3使Q2的B极和E极之间产生正偏电压，以及通过电场使得Q2的C极电压高于E极电压而导通，从而促使Q3导通，这时即使撤出G极正向电压，在电容C1的的作用下Q2、Q3也仍然能处于导通状态，只有当V_{t21}先反向或撤除才重回截止
2. 当G极接负电压时，Q4、Q6、Q7同样处于反向截止状态，Q1的B极和E极之间因G极的负电压产生正偏电压而导通，Q1导通后通过R8，R7使得Q3的E极电压拉低，从而Q3导通，进而Q2导通。于Q2和Q3连接是一个类似单向可控矽，故去掉G极的电压时能够保持Q2，Q3导通。

1.2.1.2. T1接正极T2接负极

1. 当G极接正电压时，若U_G>U_{T1}，则Q1截止，G极经R3到达Q2的基极，若Q2的U_{BE}>0，则Q2导通，从而N1区电压提升。从而Q3截止，N1区电压抬升后但还是会小于G极的电压，因此Q4导通，而Q4导通后，抬升了Q7的基极电压，从而Q7导通，而Q7导通后，降低了Q6的基极电压，从而有Q6导通。由于Q6和Q7连接是一个类似单向可控矽，故去掉G极的电压时能够保持Q6，Q7导通。
2. 当G极接负电压时，Q1，Q2，Q3，Q4处于截止状态。由于Q5的U_{BE}>0则Q5导通，正是由于Q5导通来拉低了N2区的电压，从而在Q6管有U_{BE}<0，即Q6导通，而Q6导通提升了Q7的基极电压，从而Q7导通。从而有Q6导通。由于Q6和Q7连接是一个类似单向可控矽，故去掉G极的电压时能够保持Q6，Q7导通。

1.2.2. 双向可控矽的主要特点

通过上述分析，双向可控矽的特点表现在四个象限来使得可控矽触发导通和保持导通。规定x轴为栅极电压，y轴为U_{T21}

1. T2接正极，T1接负极；G触发信号为正电压——第一象限
2. T2接正极，T1接负极；G触发先后为负电压——第二现象
3. T2接负极，T1接正极；G触发信号为正电压——第四象限
4. T2接负极，T1接正极；G触发信号为负电压——第三象限

而在实际工作中，主要用的是第一象限和第三象限的曲线。

因此双向可控矽若想阻断导通状态只有T1与T2端之间的电压的绝对值小于某个数值时，才能阻断导通。