晶闸管在大功率变频技术中的应用

1.前言

晶闸管又叫可控硅(SCR).自从20 世纪50 年代问世以来已经发展成了一个大的家族, 它的主要成员有单向晶闸管,双向晶闸管,光控晶闸管,逆导晶闸管,可关断晶闸管,快速晶闸管,等等.晶闸管是一种大功率半导体器件,它的最大特点是容量大,电压高,损耗小, 控制灵便.是大功率变频技术较理想器件.

2. 晶闸管的结构与工作原理

2.1 晶闸管的结构 它有三个电极,螺旋那一端是阳极a 的引出端,并利用它与散热器固定;另一较粗的引线为阴极 k,较细的引线则为控制极g. 容量更大的晶闸管一般采用平板式,可带风冷或水冷散热器, 容量较小的晶闸管与大功率二极管外形相似,只是多了一个控制极. 晶闸管的内部结构由 PNPN 四层半导体构成,中间形成三个PN 结:J1,J2,J3.从下面的 P1 层引出阳极,从上层引 出阴极,由中间的 P2 层引出控制极.

晶闸管就如二极管一样,具有单向导电特性,电流只能从阳极流向阴极,当元件加以反向 电压,只有极小的反向漏电流从阴极流向阳极,晶闸管处于反向阻断状态.

晶闸管不同于二极管,还具有正向导通的可控特性.当元件加上正向电压时,元件还不能 导通,呈正向阻断状态,这是二极管所不具有的.

2.2 晶闸管的工作原理

晶闸管在工作过程中,阳极A, 阴极K和电源, 负载相连,组成了晶闸管的主电路,门板G, 阴极K 和控制装置相连,组成了晶闸管的控制电路(或称触发电路).当阳―阴极间加正向电压VAK(EA),同时控制栅极―阴极间加正向电压VGK(EG)时,就产生控制极电流 IG(即 IB2), 经T2 放大后,形成集电极电流 IC2=β2* IB2 ,这个电流又是T1 的基极电流,即, IB1 = IC2 同样经T1 放大,产生集电极电流 IC1 = β1 *β2* IB2 ,此电流又作为T2 的基极电流再行放大, 如此循环往复,形成正反馈过程,从而使晶闸管完全导通(电流的大小由外加电源电压和负载电阻决定)这个导通过程是在极短的时间内完成的,一般不超过几微秒,称为触发导通过程. 导通后即使去掉EG ,晶闸管依靠自身的正反馈作用仍然可以维持导通.并成为不可控.因此, EG 只起触发导通的作用,一经触发后, EG 不管存在与否,晶闸管仍将导通.

导通时,晶闸管的正向压降一般约为0.6～1.2V. 值得注意的是,如果因外电路负载电阻增加或电源电压EA 减小使阳极电流降低到小于某一数值IH 时,则使T1 和T2 管脱离饱和状态, 即T1 和T2 管的集电极―发射极压降增高,使阳极电流进一步减小,形成正反馈.最终使T1 和T2 管截止,即晶闸管呈阻断状态.因此称IH 为最小维持电流.若已导通的晶闸管的外加电压降到零或切断电源,则阳极电流降到零,晶闸管即自行阻断.

3. 晶闸管在大功率变频技术中的应用

晶闸管在大功率变频技术中的应用主要是进行电力变换及控制,按其功能有以下几种类型:

(1)可控整流

利用晶闸管单向导电的可控性,把交流电整流成电压可调的直流电.这种可调的直流电源,广泛地应用于电解,电镀,充电,励磁,及合闸操作电源等领域.另一个主要用这是做成直流拖动的调速装置.以往对于要求调速或起制动性能较高的拖动装置,一般均采用电动机—发电机变流机组来得到可控直流电压,以实现控制要求.晶闸管问世以后,静止的可控整流装置,以它一系列的优点代替了机组,并可得到更佳的静态及动态指标.在海上石油钻井平台,目前从电动机,到各中小型辅助机械的直流电动机中,均采用晶闸管供电或励磁的调速装置.

(2)逆变与变频利

用晶闸管的特性,相宜流变换成交流的过程称为逆变,将某一频率的交流变换成其它各种领率的交流的过程称为变频.整流,逆变,变频常常是结合在一起,或者联合远用的.电流,电压通过这些变换.常做成中频(400-8000Hz)加热电源,用于熔炼,透热,淬火,焊接. 现在最经济的长途高压直流输电,就是将交流整流成直流输送,然后,再将直流逆变成交流供 人使用.另一个应用是对交流电机进行调速,如海上石油钻井平台电网串级调速和变频调速 中使用的各种形式的变频装置等.这是目前的技术发展方向,国外的交流调违拖动装置发展 非常迅速.