可控硅，學名晶閘管（Thyristor），是電力電子領域的關鍵半導體開關器件，以其強大的電流處理能力和簡單的控制特性著稱。本文深入解析其內部結構、核心工作原理，并列舉典型應用實例。
可控硅的核心結構剖析
可控硅本質上是一個四層（P-N-P-N）三端（陽極A、陰極K、門極G）半導體器件，可視為由兩個雙極性晶體管（BJT）互連構成。
PNPN四層半導體結構
- 陽極 (A)：連接最外層的P型半導體。
- 陰極 (K)：連接最外層的N型半導體。
- 門極 (G)：連接靠近陰極的P型層，用于注入觸發電流。
- 三個PN結：J1 (P1-N1), J2 (N1-P2), J3 (P2-N2)。在阻斷狀態下，J2結反偏是關鍵。
等效晶體管模型
- 將可控硅視為一個PNP晶體管（Q1）和一個NPN晶體管（Q2）的互鎖組合。
- Q1的集電極連接Q2的基極，Q2的集電極連接Q1的基極，形成正反饋回路。這是其自鎖導通特性的根源。
可控硅的工作機制詳解
理解可控硅如何導通與關斷是其應用的核心。
導通條件與觸發過程
- 正向阻斷狀態：當陽極加正電壓（相對陰極），門極無信號時，J2結反偏，器件呈現高阻態，僅有微小漏電流流過。
- 觸發導通：在正向電壓下，向門極注入一個足夠大的正向觸發電流（IG）。該電流流入Q2（NPN）的基極，使其導通。
- 自鎖導通：Q2導通后，其集電極電流流入Q1（PNP）的基極，促使Q1導通。Q1的集電極電流又反過來加強Q2的導通，形成強烈的正反饋。即使撤掉門極電流，只要陽極電流大于維持電流（IH），器件將維持導通狀態。此時J2結被“淹沒”，器件壓降很低（約1-2V）。
關斷條件
- 自然關斷（交流應用）：在交流電路中，當陽極電流隨電源電壓過零并反向時，可控硅因承受反向電壓而自動關斷。
- 強制關斷（直流應用）：在直流電路中，必須通過外部電路使陽極電流降至維持電流IH以下，并維持一段時間（大于關斷時間 tq），才能可靠關斷。常用方法包括串聯開關、并聯電容電感諧振回路等。
可控硅的典型應用實例
可控硅因其可控導通和承受大電流的特性，廣泛應用于功率控制領域。
交流調壓與調光
- 基本原理：利用可控硅在交流電路中的相位控制特性。
- 工作方式：通過控制門極觸發脈沖相對于交流電壓過零點的延遲角度（觸發角 α），來調節負載（如白熾燈、電熱絲）在一個周期內通電時間的長短，從而實現無級調壓調光或調功。這是TRIAC（雙向可控硅）的常見應用場景。
電機調速控制
- 直流電機調速：可控硅作為主開關器件構成相控整流電路，將交流電整流為直流供給電機。通過改變觸發角α，調節輸出的直流平均電壓，從而控制電機轉速。
- 交流電機軟啟動：利用可控硅的相位控制，在電機啟動初期逐步增加電壓，限制啟動電流沖擊，保護電機和電網。
過壓保護與靜態開關
- 過壓保護 (如SIDACtor)：利用可控硅的轉折導通特性（當陽極電壓超過轉折電壓 VBO 時，即使無門極觸發也會導通），將其并聯在敏感電路兩端。當異常過壓達到VBO時，可控硅迅速導通形成低阻通路，將過壓能量泄放，保護后端設備。
- 靜態開關：利用可控硅的無觸點開關特性，實現電路的快速、無火花通斷控制，常用于需要高可靠性、長壽命和快速響應的場合，如UPS切換、電容投切等。
總結
可控硅憑借其獨特的四層三端結構、門極觸發導通與電流自鎖特性，以及承受大電流的能力，在交流調壓、電機控制、過壓保護和無觸點開關等功率控制領域扮演著不可替代的角色。深入理解其PNPN結構、等效晶體管模型、導通/關斷條件（觸發電流IG、維持電流IH、關斷時間tq）以及相位控制原理（觸發角α），是有效設計和應用該器件的基礎。
