摘要: 晶閘管在大功率變頻技術(shù)中的應(yīng)用極為廣泛。本文首先闡述晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理，然后分析一下晶閘管在大功率變頻技術(shù)中的應(yīng)用，具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞: 晶閘管;大功率變頻技術(shù);應(yīng)用

1.前言

晶閘管又叫可控硅(SCR)。自從20世紀(jì)50年代問(wèn)世以來(lái)已經(jīng)發(fā)展成了一個(gè)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(dǎo)晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、快速晶閘管，等等。晶閘管是一種大功率半導(dǎo)體器件，它的最大特點(diǎn)是容量大、電壓高、損耗小，控制靈便。是大功率變頻技術(shù)較理想器件。

2. 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)

它有三個(gè)電極，螺旋那一端是陽(yáng)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(xì)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(fēng)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(gè)控制極。 晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由PNPN四層半導(dǎo)體構(gòu)成，中間形成三個(gè)PN結(jié):J1、J2、J3。從下面的P1層引出陽(yáng)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?qū)щ娞匦裕娏髦荒軓年?yáng)極流向陰極，當(dāng)元件加以反向電壓，只有極小的反向漏電流從陰極流向陽(yáng)極，晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)。

晶閘管不同于二極管，還具有正向?qū)ǖ目煽靥匦?。?dāng)元件加上正向電壓時(shí)，元件還不能導(dǎo)通，呈正向阻斷狀態(tài)，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(guò)程中，陽(yáng)極A、陰極K和電源、負(fù)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(fā)電路)。當(dāng)陽(yáng)―陰極間加正向電壓VAK(EA)，同時(shí)控制柵極―陰極間加正向電壓VGK(EG)時(shí)，就產(chǎn)生控制極電流IG(即IB2)，經(jīng)T2放大后，形成集電極電流IC2=β2* IB2 ，這個(gè)電流又是T1的基極電流，即， IB1 = IC2同樣經(jīng)T1放大，產(chǎn)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(huán)往復(fù)，形成正反饋過(guò)程，從而使晶閘管完全導(dǎo)通(電流的大小由外加電源電壓和負(fù)載電阻決定)這個(gè)導(dǎo)通過(guò)程是在極短的時(shí)間內(nèi)完成的，一般不超過(guò)幾微秒，稱為觸發(fā)導(dǎo)通過(guò)程。導(dǎo)通后即使去掉EG ，晶閘管依靠自身的正反饋?zhàn)饔萌匀豢梢跃S持導(dǎo)通。并成為不可控。因此， EG只起觸發(fā)導(dǎo)通的作用，一經(jīng)觸發(fā)后， EG不管存在與否，晶閘管仍將導(dǎo)通。

導(dǎo)通時(shí)，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(fù)載電阻增加或電源電壓EA減小使陽(yáng)極電流降低到小于某一數(shù)值IH時(shí)，則使T1和T2管脫離飽和狀態(tài)，即T1和T2管的集電極―發(fā)射極壓降增高，使陽(yáng)極電流進(jìn)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(tài)。因此稱IH為最小維持電流。若已導(dǎo)通的晶閘管的外加電壓降到零或切斷電源，則陽(yáng)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(shù)中的應(yīng)用

晶閘管在大功率變頻技術(shù)中的應(yīng)用主要是進(jìn)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?qū)щ姷目煽匦?，把交流電整流成電壓可調(diào)的直流電。這種可調(diào)的直流電源，廣泛地應(yīng)用于電解、電鍍、充電、勵(lì)磁、及合閘操作電源等領(lǐng)域。另一個(gè)主要用這是做成直流拖動(dòng)的調(diào)速裝置。以往對(duì)于要求調(diào)速或起制動(dòng)性能較高的拖動(dòng)裝置，一般均采用電動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)變流機(jī)組來(lái)得到可控直流電壓，以實(shí)現(xiàn)控制要求。晶閘管問(wèn)世以后，靜止的可控整流裝置，以它一系列的優(yōu)點(diǎn)代替了機(jī)組，并可得到更佳的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)指標(biāo)。在海上石油鉆井平臺(tái)，目前從電動(dòng)機(jī)，到各中小型輔助機(jī)械的直流電動(dòng)機(jī)中，均采用晶閘管供電或勵(lì)磁的調(diào)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(guò)程稱為逆變，將某一頻率的交流變換成其它各種領(lǐng)率的交流的過(guò)程稱為變頻。整流、逆變、變頻常常是結(jié)合在一起，或者聯(lián)合遠(yuǎn)用的。電流、電壓通過(guò)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?，F(xiàn)在最經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)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(gè)應(yīng)用是對(duì)交流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，如海上石油鉆井平臺(tái)電網(wǎng)串級(jí)調(diào)速和變頻調(diào)速中使用的各種形式的變頻裝置等。這是目前的技術(shù)發(fā)展方向，國(guó)外的交流調(diào)違拖動(dòng)裝置發(fā)展非常迅速。

(3)斬波調(diào)壓

利用晶閘管作為直流開關(guān)，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(diào)的直流電壓稱斬波電壓。它主要用于直流拖動(dòng)的脈沖調(diào)速，在地鐵、電車、電氣機(jī)車及作為碼頭和廠內(nèi)運(yùn)輸?shù)碾娖寇嚿蠌V泛使用，串電阻的調(diào)速方法，控制方便，節(jié)能顯著。

(4)電力電子開關(guān)

利用晶閘管作為電子開關(guān)，代替頻繁通斷的接觸器和繼電器。具有無(wú)火花、無(wú)磨損、無(wú)噪音及壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，并可得到較好的開關(guān)性能及節(jié)能效果。常做成交流調(diào)壓器，用于海上石油鉆井平臺(tái)的調(diào)光;作成調(diào)功器，用于加熱妒的溫度控制;以及電機(jī)的調(diào)壓調(diào)速與正反轉(zhuǎn)控制。

晶閘管變流控制裝置，有以下優(yōu)點(diǎn):

①裝置的功率放大倍數(shù)大，晶閘管的放大倍數(shù)可達(dá)10000以上，與直流傳動(dòng)中的機(jī)組相比，要高三個(gè)數(shù)量級(jí)。

②快速響應(yīng)好，晶閘管是0.001秒級(jí)，與機(jī)組相比，機(jī)組為秒級(jí)。

③功耗小，效率高。加上裝置本身性能的改善，節(jié)能效果顯著。

④是靜止式的電子裝置，體積小，重量輕，無(wú)噪音污染，無(wú)火花及磨損，維護(hù)工作量小，可靠性高。

⑤設(shè)備投資低。特別是隨著元器件生產(chǎn)的發(fā)展，成本的降低，裝置所需費(fèi)用將進(jìn)一步降低。

晶閘管變流控制裝置的主要缺點(diǎn)是:

①過(guò)載能力小，常要求有可靠的保護(hù)措施。

②交流側(cè)產(chǎn)生高次諧波，對(duì)電網(wǎng)有不良影響。

③控制角大時(shí)，功率因數(shù)低。

4.結(jié)論

晶閘管在大功率變頻技術(shù)中的應(yīng)用極為廣泛，因此很有必要對(duì)其進(jìn)行探討，這是一個(gè)很漫長(zhǎng)而艱巨的任務(wù)，同時(shí)也是一個(gè)研究的新趨勢(shì)，具有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)意義。

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