可控硅
可控硅（Silicon controlled rectifier) ，縮寫為SCR，是一種半導體器件，主要用于需要小功率驅動和控制大功率設備的場合它最早誕生于20世紀50年代，由貝爾實驗室的物理學家William Shockley在研究半導體時偶然發現一個晶體管的基礎上進行改進，并于1964年被科學家擴展為晶閘管（thyristor），也就是現代可控硅的雛形。SCR的結構由N型和P型硅材料組成，其間夾有pnp結和npn結在某些條件下，可以通過增加正向和反向電壓來控制電流。它可用作高效率的開關或調節裝置、開關損耗低、可靠性高、壽命長等特點，其主要用途是用于交流控制和DC控制，如控制電視機、電冰箱、空調、電動機等家電。此后，SCR不斷得到改進和發展，包括提高其性能、減小體積、降低成本等，已成為電子電氣控制領域的重要器件之一。
組成結構
可控硅整流器SCR是一種四層半導體結構的器件，類似于晶體管。它由三個 pn 接點組成（也就是 p 半導體、N 半導體和 p 半導體）夾在中間的 n 型半導體稱為觸發控制電極。在某些條件下，可以通過增加正負電壓來控制電流可控硅整流器通常有兩個主電極：陽極和陰極以及控制電極（柵極）陰極摻雜最重，柵極和陽極的摻雜程度較低。中心 N 型層僅輕度摻雜且比其他層厚，其優點是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能。在SCR器件中，陰極的重摻雜可以使其提供足夠的電子到達P區的基極，從而成為驅動開關的觸發電流。然而，為了防止反向漏電流過大，柵極和陽極的重摻雜程度較低。
晶閘管有三個接點，即 J1、J2 和 J3。陽極連接到具有 PNPN 結構的 P 型材料，陰極連接到 N 型材料。柵極連接到陰極附近的 P 型材料。
當觸發脈沖施加到晶閘管的控制電極時，器件開始導通，電流從陽極流向陰極。導通操作后，只有當電流降至零或被反向阻斷時，設備才會自動關閉。可控硅的導通能力是雙向的作為開關或調節裝置，它可以允許電流沿陽極流入或流出。
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，可以分為三個階段
關態（Off State）：當晶閘管的控制電極未被觸發時，器件處于關斷狀態。此時，p-n 結之間沒有電流流動，即沒有電壓或電流可以施加于負載。該器件的電阻極高，即千兆歐姆的電阻，這是一種高度絕緣的狀態。
開啟過程（Turn- process）：
當合適的電脈沖接入控制電極時，晶閘管可以開始導通，電流從陽極流向陰極，器件進入導通過程。這個過程也稱為“觸發（Turn-on）通過在控制電極和陽極之間填充高電壓，一些額外的能量被施加到中間半導體，并且它被接通。當中間 n 半導體的實際電流長度足夠高時，可以保持這種狀態。
關斷過程（Turn-Off process）：相應地，關斷過程將晶閘管從導通狀態變為關斷狀態。這是通過短路控制電極和陽極來實現的（或增加陰極電壓）來實現的。在這個過程中，中間的 n 半導體要損失足夠的電流來恢復堵塞。此時，p-n 結之間的電流可以被離子逆轉（流向陽極的電流）來維持。可控硅的工作原理是基于半導體材料的電子運動和電場，有靜態運行、動態反饋和保持功能可以實現精確的功率控制。
主要分類
導通特性
它可以分為單向可控硅整流器（Uni-Direction thyristor）和雙向可控硅（Bi-Direction thyristor）
單向可控硅：又稱單向晶閘管，只能單向導電，電流只能從陽極流向陰極。它適用于大多數交流電源應用，如電磁爐、交流電機控制等。
雙向可控硅：也稱為雙向晶閘管，它可以雙向導電，電流可以從陽極流向陰極、它也可以從陰極流向陽極。它廣泛應用于地區電網的交流調節、直流變流器、電力電子調節、在線圈驅動器等領域，無論柵極直流電壓還是反向電壓，只要施加的柵極電壓和柵極驅動電流足夠大，雙向晶閘管就會被觸發導通。根據雙向晶閘管的主電路電壓和正負門極電壓，雙向晶閘管的觸發情況可分為四種情況。用坐標系表示，它可以在右邊分成四個象限。
T2連接到正極，T1連接到負極；g觸發信號是正電壓——的第一象限
T2連接到正極，T1連接到負極；g連續觸發負電壓——第二種現象
T2連接到負電極，T1連接到正電極；g觸發信號是正電壓——的第四象限
T2連接到負電極，T1連接到正電極；g觸發信號是負電壓——的第三象限
封裝形式
外觀類別：通常有螺栓形、扁平形和平底形根據其表面的覆蓋層又可分為塑封可控硅和金屬層可控硅塑封可控硅由于體積小，表面覆蓋一層塑料外殼、價格低、結構簡單，常用于批量生產。金屬封裝表面覆蓋一層穩定的金屬層，可以有效保護晶閘管，防止其被靜電損壞它具有穩定性和可靠性高的優點，廣泛應用于醫療設備中、高壓電源等領域。
加工封裝類型：可控硅的封裝形式如下：TO-92、TO-126、TO-202AB、TO-220、TO-220AB、TO-3P、SOT-89、TO-251、TO-252等
電流容量
小電流可控硅：小于數十安：多用于廣告牌、照明控制等小功率電器的驅動。
中電流可控硅：數百安至數千安：能夠控制中等功率設備的開關，如電機控制、變頻器等。
大電流可控硅：數萬安：主要用于電力設備、工業設備控制等領域。
斷速度分類
標準可控硅：其關斷速度較慢，主要用于功率控制、電氣負荷和中頻爐及焊接設備等。
高速可控硅：GTO、IGCT具有高開關速度和強關斷特性，主要用于電力電子設備、高壓直流輸電等領域。
電路應用
根據可控硅的觸發類型，其應用電路可分為三類
可控硅直流(DC)信號驅動電路：電壓源EG接通開關S，產生的電流流經RG向SCR提供驅動信號，該驅動信號施加到SCR的G極以接通SCR，然后柵極信號被移除，SCR保持接通。
脈沖（PULSE）信號驅動電路：可控硅DC信號驅動的功耗較大，容易導致元件溫度過高為了降低工作期間的溫升，SCR觸發電路可以產生單個脈沖或多個脈沖來精確控制SCR觸發。通常這種觸發方式會和光耦一起使用，一方面起到電氣隔離的作用，在電路工作時可以減少干擾信號的影響，因為晶閘管容易受到外界噪聲的干擾，造成自身的誤導。
交流信號驅動電路：可控硅交流信號驅動電路是日常應用中最常用的電路，它從同一個交流電源獲得觸發信號在正半周，SCR處于正向阻斷狀態，只有在一定的電壓值下，驅動電極電流才能高到導通SCR。SCR的精確觸發時間由電阻器R控制，而二極管D確保只有正電流施加于驅動電極。此外，在實際電路應用中，交流和脈沖信號驅動電路經常一起使用。
失效模式
常見故障
開路失效（Open circuit circuit fault）：當SCR裝置發生故障時，開路故障是最常見的故障之一。這種失效模式會導致器件完全失效，無法控制任何電流或電壓此時，必須更換整個設備，才能再次使用。
短路失效（Short circuit circuit fault）：短路故障是另一種常見的晶閘管故障模式，它發生在過載或器件使用異常的情況下。這種失效模式會導致陽極和陰極之間短路，從而導致器件燒毀或損壞。
熱失效（Thermal fault）：由于晶閘管在使用過程中會產生大量的熱量，因此在高負載條件下運行時可能會發生熱故障。這種失效模式會導致器件性能的退化或損壞，表現為漏電流或電沉積等缺陷。
壽命衰竭（Aging failed）：SCR器件的壽命是有限的，其固有特性會隨著時間的推移而發生微小的變化。隨著使用次數的增加，器件性能可能會下降，出現漏電流電阻變大等問題。
電壓擊穿（Voltage breakdown）：在使用可控硅時，當電壓過高時，電流可能被電暈或電擊穿，導致器件失效或燒毀。
防護措施
熱管理：在SCR的安裝和使用過程中，需要有效地控制電流和電壓，防止溫度過高。可控硅在高負載或高溫下使用時，需要使用散熱器或風扇等工具來維持元器件的正常工作。
過電壓保護：過電壓是SCR失效的主要原因之一。為了防止這種情況發生，可以使用過壓保護器、電壓調節器或電容器和其他組件來保護SCR。
過流保護：過電流也是導致SCR失效的原因之一。當電流過大時，為了降低熱損壞和擊穿可控硅的風險，有必要使用過電流保護電路或斷路器。
觸發電路保護：可控硅的觸發電路受到電流或電壓干擾，可能導致設備無法正確觸發。為了避免這種情況，可以增加一個電容或電感來抑制瞬時干擾電壓或電流。
選擇合適的規格：選擇合適的SCR規格非常重要。應根據負載電壓、電流和頻率等參數，選擇合適的晶閘管。同時，在使用過程中，必須遵循SCR的規范和說明，以避免過載、高壓、在高溫和其他條件下使用。