可控硅（硅 Controlled Rectifier) 簡稱SCR，是一種半導體器件，主要用于需要小功率驅(qū)動控制大功率設(shè)備的場合，首次誕生于20世紀50年代，是由貝爾實驗室的物理學家William Shockley，在研究半導體時，偶然發(fā)現(xiàn)的晶體三極管的基礎(chǔ)之上改良而來，并在1964年被科學家擴展成晶閘管（Thyristor），也就是現(xiàn)代可控硅的雛形。可控硅的結(jié)構(gòu)是由n型和p型硅材料構(gòu)成的，中間夾有pnp結(jié)和npn結(jié)，通過加正反向電壓的控制，在一定條件下可以實現(xiàn)電流的控制。它可以作為一種開關(guān)或調(diào)節(jié)器件，具有效率高、開關(guān)損耗低、可靠性高、耐久長等特點，其主要用途是用于交流電控制和直流電控制，例如控制電視機、電冰箱、空調(diào)、電動機等家電。之后可控硅經(jīng)過不斷的改進和發(fā)展，包括提高性能、減小體積、降低成本等，如今已經(jīng)成為了電子電氣控制領(lǐng)域的重要器件之一。
發(fā)展歷史
可控硅的起源可以追溯到20世紀50年代初期，由貝爾實驗室的物理學家William Shockley在研究半導體時發(fā)現(xiàn)。當時，他將三個 pn 結(jié)（即 pnp 結(jié)構(gòu)）組合在一起，發(fā)現(xiàn)可以通過對其中一個 pn 結(jié)施加適當?shù)碾妷海沟谜麄€器件從關(guān)斷狀態(tài)進入導通狀態(tài)，這個器件被稱為晶體三極管（晶體管），它的發(fā)明徹底改變了電子學領(lǐng)域的面貌。
1957年，西門子股份公司的Heinrich Welker在分析光感二極管時，受到Shockley的啟發(fā)，并發(fā)現(xiàn)了 n-p-n-p 晶體管及其參考電壓的小而明確的閾值。Welker將這個設(shè)備稱為“硅閘流法器件”（硅 gate-controlled switch，SGCS），也就是早期的“硅控制器件”。
到了1964年，這一技術(shù)被Avramenko、Ostroumov和Ryvkin等人擴展成晶閘管（Thyristor）。晶閘管使用了更有效的電流控制機制，而不是使用歐姆定律規(guī)律（即電流與電壓成正比的規(guī)律）。這大大增強了器件的性能和穩(wěn)定性，使其適用于更廣泛的用途，也使得它成為工業(yè)控制及開關(guān)方面比較大的突破。
20世紀70年代以來，人們開始研制新型的可控硅器件，例如反向晶閘管（Reverse-Conducting Thyristor，RCT）、門極可控晶閘管（Gate-Commutated Thyristor，GCT）和雙向可控硅（Bidirectional Thyristor，Triode-Thyristor），使得它的性能、規(guī)格和使用范圍都得到了很大地增強和拓展，成為現(xiàn)代電子技術(shù)和工業(yè)的重要組成部分。
結(jié)構(gòu)
可控硅是一種四層半導體結(jié)構(gòu)的器件，類似于晶體管。它由三個 pn 結(jié)（即 p 型半導體、n 型半導體和 p 型半導體）組成，其中夾在中間的 n 型半導體稱為觸發(fā)控制極。通過加正反向電壓的控制，在一定條件下可以實現(xiàn)電流的控制，可控硅通常具有兩個主要電極：陽極和陰極，以及一個控制極（柵極），陰極是最重摻雜的，柵極和陽極的摻雜程度較低。中央 N 型層僅輕度摻雜，并且比其他層更厚，這樣的好處在于可以增加或減少材料的電子或空穴濃度，從而改變半導體材料的導電性質(zhì)。在可控硅器件中，陰極的重摻雜可以使其提供足夠的電子能夠到達P區(qū)的基端，從而成為驅(qū)動開關(guān)的觸發(fā)電流。而柵極和陽極的重摻雜程度較低，則是為了防止反向漏電流過大。
可控硅具有三個結(jié)，即 J1、J2 和 J3。陽極連接到 PNPN 結(jié)構(gòu)的 P 型材料，而陰極連接到 N 型材料。柵極連接到靠近陰極的 P 型材料。
當一個觸發(fā)脈沖被施加到可控硅的控制極時，器件就開始導通，將電流從陽極流動到陰極。在進行導通操作后，只有當電流下降至零或被逆向阻止時，器件才會自動關(guān)閉。可控硅的導通能力是雙向的，作為一種開關(guān)或調(diào)節(jié)器件即可以允許電流沿陽極流入或沿陰極流出。
工作原理
可控硅的工作原理涉及到半導體材料的物理特性，主要可以分為三個階段
關(guān)態(tài)（Off State）
當可控硅的控制極未被觸發(fā)時，器件處于關(guān)態(tài)。此時，p-n 結(jié)間沒有電流流動，即無法對負載施加電壓或電流。器件的電阻極大，即上千兆歐的阻值，是一種高度絕緣的狀態(tài)。
開啟過程（Turn-on Process）
當在控制極接入適當?shù)碾娒}沖時，可控硅就可以開始導通，電流從陽極流向陰極，器件進入開啟過程。這個過程又被稱為“觸發(fā)（Turn-on）”，它是通過填充控制極和陽極之間一個較高的電壓，使得中間 n 型半導體被施加了一些額外的能量，進入導通狀態(tài)。當中間 n 型半導體實際電流長足夠高時，這個狀態(tài)能夠得到保持。
關(guān)斷過程（Turn-off Process）
與之相對應，關(guān)斷過程將可控硅從導通態(tài)轉(zhuǎn)換為關(guān)態(tài)。這是通過短路控制極和陽極（或增加陰極電壓）來實現(xiàn)的。在這個過程中，中間 n 型半導體要失去足夠的電流，才可以恢復堵塞。此時，p-n 結(jié)間的電流可以通過離子反向流（一種流向陽極的電流）來維持。
可控硅的工作原理基于半導體材料的電子運動和電場作用，具有靜態(tài)工作、動態(tài)反饋及保持力功能，可以實現(xiàn)精確的電能控制。
分類
根據(jù)導通特性
可以分為單向可控硅（Uni-directional Thyristor）和雙向可控硅（Bi-directional Thyristor）
單向可控硅
也稱單向晶閘管，只能在一個方向上導電，電流只能從陽極流向陰極。它適用于大多數(shù)交流電源應用，如電磁爐、交流電機控制等。
雙向可控硅
也稱雙向晶閘管，在結(jié)構(gòu)上相當于兩個單向可控硅反向連接，可以進行雙向?qū)щ姡娏骺梢詮年枠O流向陰極、也可以從陰極流向陽極。它廣泛應用于地區(qū)電網(wǎng)交流調(diào)節(jié)、直流變流器、電力電子調(diào)節(jié)、線圈驅(qū)動器等領(lǐng)域中，雙向可控硅不管門極加正向電壓還是反向電壓，只要所加的門極電壓和門極驅(qū)動電流足夠大，雙向可控硅均會被觸發(fā)導通。根據(jù)雙向可控硅的主回路電壓及門極電壓的正負，可將雙向可控硅的觸發(fā)情況分為四種情況。用坐標系來表示則可分為右圖的四個象限。
根據(jù)封裝形式
外觀類別
通常有螺栓形、平板形和平底形，根據(jù)其表面的覆蓋層，也可以分為塑封可控硅和金屬層可控硅，塑封可控硅表面覆蓋有一層塑料外殼，因為具有體積小、價格低、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，它常常被應用于大批量生產(chǎn)。而金屬封裝表面覆蓋一層穩(wěn)定的金屬層，可以有效保護可控硅，防止其被靜電損壞，具有穩(wěn)定性和可靠性高的優(yōu)點，它廣泛應用于醫(yī)療器械、高壓電源等領(lǐng)域。
加工封裝類型
可控硅的封裝形式有：TO-92、TO-126、TO-202AB、TO-220、TO-220AB、TO-3P、SOT-89、TO-251、TO-252等
按電流容量分類
小電流可控硅
小于數(shù)十安：多用于廣告牌、燈光控制等小功率電器的驅(qū)動。
中電流可控硅
數(shù)百安至數(shù)千安：能夠控制中功率設(shè)備的開關(guān)，如電機控制、變頻器等。
大電流可控硅
數(shù)萬安：主要應用于電力設(shè)備、工業(yè)設(shè)備控制等領(lǐng)域。
按關(guān)斷速度分類
標準可控硅
其關(guān)斷速度較慢，主要用于電力控制、電氣負載和中頻爐和焊接設(shè)備等。
高速可控硅
GTO、IGCT等具有較高的開關(guān)速度和較強的關(guān)斷特性，主要應用于電力電子設(shè)備、高壓直流輸電等領(lǐng)域。
電路應用
根據(jù)可控硅的觸發(fā)類型，其應用電路可以分為三大類
直流(DC)信號驅(qū)動電路
電壓源EG通過開關(guān)S的導通，產(chǎn)生的電流流過RG給可控硅SCR提供一個驅(qū)動信號，該信號印加在可控硅SCR的G極，即可導通可控硅SCR，之后移除柵極信號，可控硅SCR依然保持導通的狀態(tài)。
脈沖（PULSE）信號驅(qū)動電路
可控硅直流信號驅(qū)動的功率耗散較大，容易造成元件溫度過高，為了降低工作時的溫升，可以通過可控硅觸發(fā)電路產(chǎn)生單個脈沖或多個脈沖，來精確地控制可控硅觸發(fā)。通常這種觸發(fā)方式還會搭載光耦一起使用，一方面起到電氣隔離的作用，另一方面可以降低電路工作時干擾信號的影響，因為可控硅很容易受到外界的噪聲干擾而引起自身的誤導通。
交流信號驅(qū)動電路
可控硅交流信號驅(qū)動電路是日常應用中使用最多的電路，是從同一交流源獲得觸發(fā)信號，在正半周期內(nèi)，可控硅處于正向阻斷狀態(tài)，只有在某個電壓值下，驅(qū)動極電流高到足以開啟可控硅才可以導通。可控硅的準確觸發(fā)時刻由電阻R控制，而二極管D則保證只有正電流施加到驅(qū)動極。此外，在實際電路應用中，交流和脈沖信號驅(qū)動電路經(jīng)常會配合一起使用。
失效模式
可控硅常見的故障狀態(tài)
開路失效（Open circuit failure）
當可控硅器件失效時，開路失效是最常見的故障之一。這種失效模式會導致器件完全失效，無法進行任何的電流或電壓控制，此時必須更換整個器件才能恢復使用。
短路失效（Short circuit failure）
短路失效是另一種常見的可控硅故障模式，具有器件的過載或使用的異常條件下發(fā)生。這種失效模式會導致陽極和陰極之間產(chǎn)生一個短路狀態(tài)，從而造成器件燒毀或損壞。
熱失效（Thermal failure）
由于可控硅在使用過程中會產(chǎn)生大量的熱量，因此在高負載條件下操作時，可控硅可能出現(xiàn)熱失效。這種失效模式將導致器件的性能變差或損壞，表現(xiàn)為漏電流或電氣沉積等缺陷。
壽命衰竭（Aging failure）
可控硅器件的壽命有限，其固有特性會隨著時間推移而發(fā)生微弱的變化。隨著使用次數(shù)增加，器件的性能可能會降低，出現(xiàn)漏電流，阻值變大等問題。
電壓擊穿（Voltage Breakdown）
在可控硅使用中，電壓過高時，電流可能會發(fā)生電暈或電擊穿，導致器件失效或燒毀。
防護措施
熱管理
在可控硅的安裝和使用過程中，需要有效地控制電流和電壓，并防止溫度過高。當可控硅被使用在高負載或高溫度條件下時，需要使用散熱器或風扇等工具來維持元件的正常運作。
過電壓保護
過電壓是導致可控硅故障的主要原因之一。為了防止這種情況的發(fā)生，可以使用過電壓保護器、穩(wěn)壓裝置或電容器等元件來保護可控硅。
過流保護
過流也是導致可控硅故障的原因之一。當電流過大時，為了減少可控硅的熱損傷和擊穿風險，必須使用過流保護回路或者斷路保護器。
觸發(fā)電路保護
可控硅的觸發(fā)電路接收到電流或電壓干擾，可能會導致器件不能被正確地觸發(fā)。為了避免這種情況的發(fā)生，可以增加抑制瞬間干擾電壓或電流的電容或電感。
選擇合適的規(guī)格
選擇合適的可控硅規(guī)格非常重要。應根據(jù)負載電壓、電流和頻率等參數(shù)，選擇合適的可控硅。同時，在使用過程中，需要遵循可控硅的規(guī)范和使用說明，避免在超負荷、高壓、高溫等條件下使用。
重要參數(shù)
可控硅參數(shù)分析介紹
制造商
可控硅主流制造商
參考資料 >
直流變流器的輸出反饋動態(tài)面控制.中國知網(wǎng).2023-04-26
可控硅關(guān)斷參數(shù)分析及新型可控硅的應用.中國知網(wǎng).2023-04-26
All-solution-processed colour-tuneable tandem quantum-dot light-emitting diode driven by AC signal..中國知網(wǎng).2023-04-26
雙向可控硅的過零調(diào)功調(diào)速調(diào)光控制技術(shù)探討.中國知網(wǎng).2023-04-26
基于大功率可控硅芯片SCR的失效分析研究.中國知網(wǎng).2023-04-26
可控硅十大品牌.360文檔中心.2023-04-30