可控硅

可控硅（Silicon Controlled Rectifier) 简称SCR，是一种半导体器件^[1]，主要用于需要小功率驱动控制大功率设备的场合，首次诞生于20世纪50年代，是由贝尔实验室^[注1]的物理学家William Shockley，在研究半导体时，偶然发现的晶体三极管的基础之上改良而来，并在1964年被科学家扩展成晶闸管（Thyristor），也就是现代可控硅的雏形。^[3]可控硅的结构是由n型和p型硅材料构成的，中间夹有pnp结和npn结，通过加正反向电压的控制，在一定条件下可以实现电流的控制。^[3]它可以作为一种开关或调节器件，具有效率高、开关损耗低、可靠性高、耐久长等特点，其主要用途是用于交流电控制和直流电控制，例如控制电视机、电冰箱、空调、电动机^[6]等家电。之后可控硅经过不断的改进和发展，包括提高性能、减小体积、降低成本等，如今已经成为了电子电气控制领域的重要器件之一。^[1][4]

可控硅的起源可以追溯到20世纪50年代初期，由贝尔实验室^[注1]的物理学家William Shockley在研究半导体时发现。当时，他将三个 pn 结（即 pnp 结构）组合在一起，发现可以通过对其中一个 pn 结施加适当的电压，使得整个器件从关断状态进入导通状态，这个器件被称为晶体三极管（Transistor）^[3]，它的发明彻底改变了电子学领域的面貌。

1957年，西门子公司^[注2]的Heinrich Welker在分析光感二极管时，受到Shockley的启发，并发现了 n-p-n-p 晶体管及其参考电压的小而明确的阈值。Welker将这个设备称为“硅闸流法器件”（Silicon gate-controlled switch，SGCS），也就是早期的“硅控制器件”。^[7]

到了1964年，这一技术被Avramenko、Ostroumov和Ryvkin等人扩展成晶闸管（Thyristor）。晶闸管使用了更有效的电流控制机制，而不是使用欧姆定律规律（即电流与电压成正比的规律）。这大大增强了器件的性能和稳定性，使其适用于更广泛的用途，也使得它成为工业控制及开关方面比较大的突破。^[8]

20世纪70年代以来，人们开始研制新型的可控硅器件，例如反向晶闸管（Reverse-Conducting Thyristor，RCT）^[8]、门极可控晶闸管（Gate-Commutated Thyristor，GCT）和双向可控硅（Bidirectional Thyristor，Triode-Thyristor），使得它的性能、规格和使用范围都得到了很大地增强和拓展，成为现代电子技术和工业的重要组成部分。^[8]

可控硅是一种四层半导体结构的器件，类似于晶体管。^[1]它由三个 pn 结（即 p 型半导体、n 型半导体和 p 型半导体）组成，其中夹在中间的 n 型半导体称为触发控制极。通过加正反向电压的控制，在一定条件下可以实现电流的控制，可控硅通常具有两个主要电极：阳极和阴极，以及一个控制极（栅极）^[注3][4]，阴极是最重掺杂的，栅极和阳极的掺杂程度较低。中央 N 型层仅轻度掺杂，并且比其他层更厚，^[9]这样的好处在于可以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质。在可控硅器件中，阴极的重掺杂可以使其提供足够的电子能够到达P区的基端，从而成为驱动开关的触发电流。而栅极和阳极的重掺杂程度较低，则是为了防止反向漏电流过大。^[10]

可控硅具有三个结，即 J1、J2 和 J3。阳极连接到 PNPN 结构的 P 型材料，而阴极连接到 N 型材料。栅极连接到靠近阴极的 P 型材料。^[4]

当一个触发脉冲被施加到可控硅的控制极时，器件就开始导通，将电流从阳极流动到阴极。在进行导通操作后，只有当电流下降至零或被逆向阻止时，器件才会自动关闭^[4]。可控硅的导通能力是双向的，作为一种开关或调节器件即可以允许电流沿阳极流入或沿阴极流出。^[4]

可控硅的工作原理涉及到半导体材料的物理特性，主要可以分为三个阶段^[2]

当可控硅的控制极未被触发时，器件处于关态。此时，p-n 结间没有电流流动，即无法对负载施加电压或电流。器件的电阻极大，即上千兆欧的阻值，是一种高度绝缘的状态。^[2][11]

当在控制极接入适当的电脉冲时，可控硅就可以开始导通，电流从阳极流向阴极，器件进入开启过程。这个过程又被称为“触发（Turn-on）”，它是通过填充控制极和阳极之间一个较高的电压，使得中间 n 型半导体被施加了一些额外的能量，进入导通状态。当中间 n 型半导体实际电流长足够高时，这个状态能够得到保持。^[2][11]

与之相对应，关断过程将可控硅从导通态转换为关态^[2]。这是通过短路控制极和阳极（或增加阴极电压）来实现的。在这个过程中，中间 n 型半导体要失去足够的电流，才可以恢复堵塞。此时，p-n 结间的电流可以通过离子反向流（一种流向阳极的电流）来维持。^[2][11]

可控硅的工作原理基于半导体材料的电子运动和电场作用，具有静态工作、动态反馈及保持力功能，可以实现精确的电能控制。^[12]

可以分为单向可控硅（Uni-directional Thyristor）^[9]和双向可控硅（Bi-directional Thyristor）^[13]

也称单向晶闸管，只能在一个方向上导电，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。^[9]

也称双向晶闸管，可以进行双向导电，电流可以从阳极流向阴极、也可以从阴极流向阳极。^[13]它广泛应用于地区电网交流调节、直流变流器^[14]、电力电子调节、线圈驱动器等领域中，双向可控硅不管门极加正向电压还是反向电压，只要所加的门极电压和门极驱动电流足够大，双向可控硅均会被触发导通。根据双向可控硅的主回路电压及门极电压的正负，可将双向可控硅的触发情况分为四种情况。用坐标系来表示则可分为右图的四个象限。^[15]

T2接正极，T1接负极；G触发信号为正电压——第一象限^[15]T2接正极，T1接负极；G触发先后为负电压——第二现象^[15]T2接负极，T1接正极；G触发信号为正电压——第四象限^[15]T2接负极，T1接正极；G触发信号为负电压——第三象限^[15]

通常有螺栓形、平板形和平底形^[4]，根据其表面的覆盖层，也可以分为塑封可控硅和金属层可控硅，塑封可控硅表面覆盖有一层塑料外壳，因为具有体积小、价格低、结构简单的优点，它常常被应用于大批量生产。而金属封装表面覆盖一层稳定的金属层，可以有效保护可控硅，防止其被静电损坏，具有稳定性和可靠性高的优点，它广泛应用于医疗器械、高压电源等领域。^[16]

可控硅的封装形式有：TO-92、TO-126、TO-202AB、TO-220、TO-220AB、TO-3P、SOT-89、TO-251、TO-252等^[4]

小于数十安：多用于广告牌、灯光控制等小功率电器的驱动。

数百安至数千安：能够控制中功率设备的开关，如电机控制、变频器等。

数万安：主要应用于电力设备、工业设备控制等领域。

其关断速度较慢，主要用于电力控制、电气负载和中频炉和焊接设备等。

GTO^[注4]、IGCT^[注5]等具有较高的开关速度和较强的关断特性，主要应用于电力电子设备、高压直流输电等领域。

根据可控硅的触发类型，其应用电路可以分为三大类^[1]

电压源EG通过开关S的导通，产生的电流流过RG给可控硅SCR提供一个驱动信号，该信号印加在可控硅SCR的G极，即可导通可控硅SCR，之后移除栅极信号，可控硅SCR依然保持导通的状态。^[1]

可控硅直流信号驱动的功率耗散较大，容易造成元件温度过高，为了降低工作时的温升，可以通过可控硅触发电路产生单个脉冲或多个脉冲，来精确地控制可控硅触发。通常这种触发方式还会搭载光耦^[注6]一起使用，一方面起到电气隔离的作用，另一方面可以降低电路工作时干扰信号的影响，因为可控硅很容易受到外界的噪声干扰而引起自身的误导通^[1][17]。

可控硅交流信号驱动电路是日常应用中使用最多的电路，是从同一交流源获得触发信号，在正半周期内，可控硅处于正向阻断状态，只有在某个电压值下，驱动极电流高到足以开启可控硅才可以导通^[1]。可控硅的准确触发时刻由电阻R控制，而二极管D则保证只有正电流施加到驱动极。此外，在实际电路应用中，交流和脉冲信号驱动电路经常会配合一起使用^[18][19]。

当可控硅器件失效时，开路失效是最常见的故障之一。这种失效模式会导致器件完全失效，无法进行任何的电流或电压控制，此时必须更换整个器件才能恢复使用。

短路失效是另一种常见的可控硅故障模式，具有器件的过载或使用的异常条件下发生。这种失效模式会导致阳极和阴极之间产生一个短路状态，从而造成器件烧毁或损坏。

由于可控硅在使用过程中会产生大量的热量，因此在高负载条件下操作时，可控硅可能出现热失效。这种失效模式将导致器件的性能变差或损坏，表现为漏电流或电气沉积等缺陷。

可控硅器件的寿命有限，其固有特性会随着时间推移而发生微弱的变化。随着使用次数增加，器件的性能可能会降低，出现漏电流，阻值变大等问题。

在可控硅使用中，电压过高时，电流可能会发生电晕或电击穿，导致器件失效或烧毁。

在可控硅的安装和使用过程中，需要有效地控制电流和电压，并防止温度过高。当可控硅被使用在高负载或高温度条件下时，需要使用散热器或风扇等工具来维持元件的正常运作。

过电压是导致可控硅故障的主要原因之一。为了防止这种情况的发生，可以使用过电压保护器、稳压装置或电容器等元件来保护可控硅。

过流也是导致可控硅故障的原因之一。当电流过大时，为了减少可控硅的热损伤和击穿风险，必须使用过流保护回路或者断路保护器。

可控硅的触发电路接收到电流或电压干扰，可能会导致器件不能被正确地触发。为了避免这种情况的发生，可以增加抑制瞬间干扰电压或电流的电容或电感。

选择合适的可控硅规格非常重要。应根据负载电压、电流和频率等参数，选择合适的可控硅。同时，在使用过程中，需要遵循可控硅的规范和使用说明，避免在超负荷、高压、高温等条件下使用。

某可控硅规格书^[注7]项目符号规格（典型值）备注门极触发电流^[注8]IGT^[注8]20-70 mA VD=12V Rl=30Ω门极触发电压^[注9]VGT^[注9]1.5V VD=12V Rl=30Ω维持电流^[注10]IH^[注10]200mAIT=1A通态平均电流^[注11]IT(AV)^[注11]35A TO-3P^[注12]断态电压临界上升率^[注13]dv/dt^[注13]1000V/us Tj=125℃ 通态峰值电压^[注14]VTM^[注14]1.8VItm=80A tp=380us断态重复峰值电压^[注15]VDRM^[注15]1600v-反向重复峰值电流^[注16]IRRM^[注16]8mATc=125℃ 通态一个周波不重复浪涌电流^[注17]ITSM^[注17]1Af＝100Hz、占空比＝0.1%结壳热阻^[注18]Rthjc^[注18]0.65℃/w TO-3P^[注12]

可控硅参数分析介绍^[4][22]

可控硅主流制造商^[23]

Infineon Technologies AG：德国，是一家专业从事半导体解决方案的供应商，提供用于汽车，工业，通信，安全和加密应用的半导体和系统解决方案。SANKEN：日本，是一家提供半导体器件、系统解决方案、电子元器件制造等服务的公司，主要以电力电子技术的研发和生产为主。ON Semiconductor：美国，是一家全球领先的半导体制造商，为汽车、医疗、电信、工业等领域提供电子解决方案。Vishay Intertechnology：美国，成立于1962年，是一家专门从事电阻器、电容器、电感器、二极管、MOS管等电子元件的研发生产的公司，产品广泛应用于汽车、医疗、工业、航空航天等领域。Fuji Electric：日本，是一家电气设备和系统解决方案的制造商，产品涉及工业自动化、电力系统、电子元器件等领域。ABB：瑞士，是一家国际性的电力和自动化技术企业，为工业、能源、交通、公共设施、建筑等领域提供全面的电力和自动化解决方案。Renesas Electronics：日本，是一家全球领先的半导体解决方案供应商，为汽车、医疗、智能家居等领域提供高性能、低功耗、安全可靠的半导体产品和系统解决方案。TOSHIBA：日本，是一家综合性电子企业，涵盖了半导体、数字产品、网络设备、家电等多个领域。SANREX：日本，是三菱电机、三洋电机和三菱重工业合资企业之一，主要生产各种电力电子元器件和电气设备。Littelfuse：美国，成立于1927年，是一家从事电子元器件研发生产的公司，主要产品包括保险丝、快速断路器、过压保护器等，广泛应用于汽车、医疗、工业等领域。