你知道吗，半导体器件中有一种叫做晶闸管的设备在解决从发电站到远离的用户的长距离电力传输中发挥了至关重要的作用？传统的交流电力传输往往会遭遇显著的能量损失，并且在稳定性和控制方面面临挑战。对于长距离电力传输，高压直流（HVDC）技术是首选的解决方案。
在HVDC系统中，大量的交流电力需要通过转换站转换为直流电。一旦转换为直流电，这些电力就可以传输到用户。这个转换任务由一种特殊的半导体开关设备——晶闸管，特别是硅控整流器（SCRs）来完成。
晶闸管的工作原理
你可能对各种半导体开关设备如二极管和晶体管很熟悉。晶闸管的工作原理与这些设备类似。所有这些开关都是由硅制成的，硅是一种广泛使用的半导体材料。晶闸管由四层交替的p型和n型材料构成。
为了理解晶闸管的有效性，我们首先来看一下基本的晶体管，例如双极型晶体管（BJT）。当我们连接一个主要电源时，晶体管的一个结始终是反向偏置的。要使晶体管导通，我们需要在发射极和基极之间施加一个次级电压。这使得晶体管导通。然而，一旦我们移除这个次级电压，晶体管就会关闭，因为它需要持续的基极电流才能保持导通。这种对持续基极电流的需求可能会导致显著的功率损耗，特别是在高功率应用中。
1950年，威廉·肖克利通过发明晶闸管解决了这个问题。与晶体管不同，晶闸管在被触发后，即使移除次级电源仍能继续工作。
理解晶闸管的操作
要完全理解晶闸管的工作原理，我们首先需要了解耗尽区的概念以及二极管的基本操作。纯硅的导电性非常低，但我们可以通过掺杂n型或p型杂质来提高它的导电性。当硅的一侧掺入p型杂质，另一侧掺入n型杂质时，我们就创建了一个p-n结，也就是一个二极管。
在p-n结处，由于电子的自然迁移，形成了一个耗尽区。这在p侧形成了轻微的负电荷，而在n侧形成了轻微的正电荷，从而形成了一个没有自由电子或孔洞的耗尽区。这个区域的电场形成了一个势垒电位，阻止了电子的进一步迁移。
当我们施加一个大于势垒电位的正向电压时，电子会从负端被推离，并穿过p-n结。然后它们填充p区的孔洞。由于n区的吸引，这些电子继续流动，使二极管导通。如果我们反向施加电压，电子和孔洞会移动开，二极管将停止导通。
晶闸管与晶体管的比较
晶闸管是通过掺杂交替的p型和n型材料来制备的硅晶片。它在其结处有多个耗尽区。无论施加的电压方向如何，总会有至少一个反向偏置的结。要使晶闸管导通，我们使用一种叫做门触发的方法。
门触发涉及向p区注入电子。通过在门极和阴极之间施加次级电压，大量电子被引入到p区。随着这个过程的继续，p区变得充满电子，并有效地变成了n区。这种变化减少了耗尽区，使晶闸管能够导通。
关闭晶闸管
要关闭晶闸管，你需要施加反向电压。最有效的方法是使用LC振荡器，它在电容器和电感器之间交换能量。这使得电压发生波动。如果LC电路的峰值电压超过施加在晶闸管上的电压，晶闸管将经历这种波动电压并在反向偏置模式下关闭。
晶闸管在HVDC技术中至关重要，因为它们有助于节省大量电力。有关半导体器件及其应用的更多信息，请访问 博斯克电子。
