晶閘管在大功率變頻技術中的應用

摘要: 晶閘管在大功率變頻技術中的應用極為廣泛。本文首先闡述晶閘管的結構與工作原理，然后分析一下晶閘管在大功率變頻技術中的應用，具有一定的參考價值。

關鍵詞: 晶閘管;大功率變頻技術;應用

1.前言

晶閘管又叫可控硅(SCR)。自從20世紀50年代問世以來已經發展成了一個大的家族，它的主要成員有單向晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管、逆導晶閘管、可關斷晶閘管、快速晶閘管，等等。晶閘管是一種大功率半導體器件，它的最大特點是容量大、電壓高、損耗小，控制靈便。是大功率變頻技術較理想器件。

2. 晶閘管的結構與工作原理

2.1 晶閘管的結構

它有三個電極，螺旋那一端是陽極a的引出端，并利用它與散熱器固定;另一較粗的引線為陰極k，較細的引線則為控制極g。容量更大的晶閘管一般采用平板式，可帶風冷或水冷散熱器，容量較小的晶閘管與大功率二極管外形相似，只是多了一個控制極。 晶閘管的內部結構由PNPN四層半導體構成，中間形成三個PN結:J1、J2、J3。從下面的P1層引出陽極，從上層引出陰極，由中間的P2層引出控制極。

晶閘管就如二極管一樣，具有單向導電特性，電流只能從陽極流向陰極，當元件加以反向電壓，只有極小的反向漏電流從陰極流向陽極，晶閘管處于反向阻斷狀態。

晶閘管不同于二極管，還具有正向導通的可控特性。當元件加上正向電壓時，元件還不能導通，呈正向阻斷狀態，這是二極管所不具有的。

2.2晶閘管的工作原理

晶閘管在工作過程中，陽極A、陰極K和電源、負載相連，組成了晶閘管的主電路，門板G、陰極K和控制裝置相連，組成了晶閘管的控制電路(或稱觸發電路)。當陽―陰極間加正向電壓VAK(EA)，同時控制柵極―陰極間加正向電壓VGK(EG)時，就產生控制極電流IG(即IB2)，經T2放大后，形成集電極電流IC2=β2* IB2 ，這個電流又是T1的基極電流，即， IB1 = IC2同樣經T1放大，產生集電極電流IC1 = β1 *β2* IB2 ，此電流又作為T2的基極電流再行放大，如此循環往復，形成正反饋過程，從而使晶閘管完全導通(電流的大小由外加電源電壓和負載電阻決定)這個導通過程是在極短的時間內完成的，一般不超過幾微秒，稱為觸發導通過程。導通后即使去掉EG ，晶閘管依靠自身的正反饋作用仍然可以維持導通。并成為不可控。因此， EG只起觸發導通的作用，一經觸發后， EG不管存在與否，晶閘管仍將導通。

導通時，晶閘管的正向壓降一般約為0.6～1.2V。值得注意的是，如果因外電路負載電阻增加或電源電壓EA減小使陽極電流降低到小于某一數值IH時，則使T1和T2管脫離飽和狀態，即T1和T2管的集電極―發射極壓降增高，使陽極電流進一步減小，形成正反饋。最終使T1和T2管截止，即晶閘管呈阻斷狀態。因此稱IH為最小維持電流。若已導通的晶閘管的外加電壓降到零或切斷電源，則陽極電流降到零，晶閘管即自行阻斷。

3. 晶閘管在大功率變頻技術中的應用

晶閘管在大功率變頻技術中的應用主要是進行電力變換及控制，按其功能有以下幾種類型:

(1)可控整流

利用晶閘管單向導電的可控性，把交流電整流成電壓可調的直流電。這種可調的直流電源，廣泛地應用于電解、電鍍、充電、勵磁、及合閘操作電源等領域。另一個主要用這是做成直流拖動的調速裝置。以往對于要求調速或起制動性能較高的拖動裝置，一般均采用電動機—發電機變流機組來得到可控直流電壓，以實現控制要求。晶閘管問世以后，靜止的可控整流裝置，以它一系列的優點代替了機組，并可得到更佳的靜態及動態指標。在海上石油鉆井平臺，目前從電動機，到各中小型輔助機械的直流電動機中，均采用晶閘管供電或勵磁的調速裝置。

(2)逆變與變頻

利用晶閘管的特性，相宜流變換成交流的過程稱為逆變，將某一頻率的交流變換成其它各種領率的交流的過程稱為變頻。整流、逆變、變頻常常是結合在一起，或者聯合遠用的。電流、電壓通過這些變換.常做成中頻(400-8000Hz)加熱電源，用于熔煉、透熱、淬火、焊接。現在最經濟的長途高壓直流輸電，就是將交流整流成直流輸送，然后，再將直流逆變成交流供人使用。另一個應用是對交流電機進行調速，如海上石油鉆井平臺電網串級調速和變頻調速中使用的各種形式的變頻裝置等。這是目前的技術發展方向，國外的交流調違拖動裝置發展非常迅速。

(3)斬波調壓

利用晶閘管作為直流開關，控制晶閘管的通斷比和通斷頻率，將一固定直流電壓變換成可調的直流電壓稱斬波電壓。它主要用于直流拖動的脈沖調速，在地鐵、電車、電氣機車及作為碼頭和廠內運輸的電瓶車上廣泛使用，串電阻的調速方法，控制方便，節能顯著。

(4)電力電子開關

利用晶閘管作為電子開關，代替頻繁通斷的接觸器和繼電器。具有無火花、無磨損、無噪音及壽命長的特點，并可得到較好的開關性能及節能效果。常做成交流調壓器，用于海上石油鉆井平臺的調光;作成調功器，用于加熱妒的溫度控制;以及電機的調壓調速與正反轉控制。

晶閘管變流控制裝置，有以下優點:

①裝置的功率放大倍數大，晶閘管的放大倍數可達10000以上，與直流傳動中的機組相比，要高三個數量級。

②快速響應好，晶閘管是0.001秒級，與機組相比，機組為秒級。

③功耗小，效率高。加上裝置本身性能的改善，節能效果顯著。

④是靜止式的電子裝置，體積小，重量輕，無噪音污染，無火花及磨損，維護工作量小，可靠性高。

⑤設備投資低。特別是隨著元器件生產的發展，成本的降低，裝置所需費用將進一步降低。

晶閘管變流控制裝置的主要缺點是:

①過載能力小，常要求有可靠的保護措施。

②交流側產生高次諧波，對電網有不良影響。

③控制角大時，功率因數低。

4.結論

晶閘管在大功率變頻技術中的應用極為廣泛，因此很有必要對其進行探討，這是一個很漫長而艱巨的任務，同時也是一個研究的新趨勢，具有較大的經濟價值和社會意義。

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