可控硅晶閘管工作原理與應用

簡單地說：整流器是把單相或三相正弦交流電流通過整流元件變成平穩的可調的 單方向的直流電流。其實現條件主要是依靠整流管,晶閘管等元件通過整流來實 現.除此之外整流器件還有很多,如:可關斷晶閘管GTO,逆導晶閘管，雙向晶閘管， 整流模塊,功率模塊IGBT,SIT,MOSFET等等,這里只探討晶閘管.

晶閘管又名可控硅,通常人們都叫可控硅.是一種功率半導體器件,由于它效率高, 控制特性好,壽命長,體積小等優點,自上個世紀六十長代以來,獲得了迅猛發展,并 已形成了一門獨立的學科.“晶閘管交流技術”。晶閘管發展到今天，在工藝上已 經非常成熟，品質更好，成品率大幅提高，并向高壓大電流發展。目前國內晶閘 管最大額定電流可達5000A，國外更大。我國的韶山電力機車上裝載的都是我 國自行研制的大功率晶閘管。

晶閘管的應用：

一、可控整流

如同二極管整流一樣，可以把交流整流為直流，并且在交流電壓不變的情況下， 方便地控制直流輸出電壓的大小即可控整流，實現交流——可變直流

二、交流調壓與調功

利用晶閘管的開關特性代替老式的接觸調壓器、感應調壓器和飽和電抗器調壓。 為了消除晶閘管交流調壓產生的高次諧波，出現了一種過零觸發，實現負載交流 功率的無級調節即晶閘管調功器。交流——可變交流。

三、逆變與變頻

直流輸電：將三相高壓交流整流為高壓直流，由高壓直流遠距離輸送以減少損耗， 增加電力網的穩定，然后由逆變器將直流高壓逆變為50HZ三相交流。直流—— 交流 中頻加熱和交流電動機的變頻調速、串激調速等變頻，交流——頻率可變交流

四、斬波調壓（脈沖調壓）

斬波調壓是直流——可變直流之間的變換，用在城市電車、電氣機車、電瓶搬運 車、鏟車（叉車）、電氣汽車等，高頻電源用于電火花加工。

五、無觸點功率靜態開關（固態開關）

作為功率開關元件，代替接觸器、繼電器用于開關頻率很高的場合

晶閘管導通條件:

晶閘管加上正向陽極電壓后，門極加上適當正向門極電壓，使晶閘管導通過程稱 為觸發。晶閘管一旦觸發導通后，門極就對它失去控制作用，通常在門極上只要 加上一個正向脈沖電壓即可，稱為觸發電壓。門極在一定條件下可以觸發晶閘管 導通，但無法使其關斷。要使導通的晶閘管恢復阻斷，可降低陽極電壓，或增大 負載電阻，使流過晶閘管的陽極電流減小至維持電流（IH）（當門極斷開時，晶 閘管從較大的通態電流降至剛好能保持晶閘管導通所需的最小陽極電流叫維持 電流），電流會突然降到零，之后再提高電壓或減小負載電阻，電流不會再增大， 說明晶閘管已恢復阻斷。

根據晶閘管陽極伏安特性，可以總結出：

1．門極斷開時，晶閘管的正向漏電流比一般硅二極管反向漏電流大，且隨著管 子正向陽極電壓升高而增大。當陽極電壓升到足夠大時，會使晶閘管導通，稱為 正向轉折或“硬開通”。多次硬開通會損壞管子。

2．晶閘管加上正向陽極電壓后，還必須加上觸發電壓，并產生足夠的觸發電流， 才能使晶閘管從阻斷轉為導通。觸發電流不夠時，管子不會導通，但此時正向漏 電流隨著增大而顯著增大。晶閘管只能穩定工作在關斷和導通兩個狀態，沒有中 間狀態，具有雙穩開關特性。是一種理想的無觸點功率開關元件。

3．晶閘管一旦觸發導通，門極完全失去控制作用。要關斷晶閘管，必須使陽極 電流<維持電流，對于電阻負載，只要使管子陽極電壓降為零即可。為了保證晶 閘管可靠迅速關斷，通常在管子陽極電壓互降為零后，加上一定時間的反向電壓。

晶閘管主要特性參數

1．正反向重復峰值電壓——額定電壓（VDRM、VRRM取其小者）

2．額定通態平均電流IT（AV）——額定電流（正弦半波平均值）

3．門極觸發電流IGT，門極觸發電壓UGT，（受溫度變化）

4．通態平均電壓UT（AV）即管壓降

5．維持電流IH與掣住電流IL

6．開通與關斷時間

晶閘管合格證基本參數

IT（AV）=A（TC=℃）------通態平均電流

VTM=V-----------通態峰值電壓

VDRM=V-------------斷態正向重復峰值電壓

IDRM=mA-------------斷態重復峰值電流

VRRM=V-------------反向重復峰值電壓

IRRM=mA------------反向重復峰值電流

IGT=mA------------門極觸發電流

VGT=V------------門極觸發電壓

執行標準：QB-02-09

1．晶閘管關斷過電壓（換流過電壓、空穴積蓄效應過電壓）及保護 晶閘管從導通到阻斷，線路電感（主要是變壓器漏感LB）釋放能量產生過電壓。 由于晶閘管在導通期間，載流子充滿元件內部，在關斷過程中，管子在反向作用 下，正向電流下降到零時，元件內部殘存著載流子。這些載流子在反向電壓作用 下瞬時出現較大的反向電流，使殘存的載流子迅速消失，這時反向電流減小即 diG/dt極大，產生的感應電勢很大，這個電勢與電源串聯，反向加在已恢復阻斷 的元件上，可導致晶閘管反向擊穿。這就是關斷過電壓（換相過電壓）。數值可 達工作電壓的5~6倍。保護措施：在晶閘管兩端并接阻容吸收電路。

2．交流側過電壓及其保護

由于交流側電路在接通或斷開時出現暫態過程，會產生操作過電壓。高壓合閘的 瞬間，由于初次級之間存在分布電容，初級高壓經電容耦合到次級，出現瞬時過 電壓。措施：在三相變壓器次級星形中點與地之間并聯適當電容，就可以顯著減 小這種過電壓。與整流器并聯的其它負載切斷時，因電源回路電感產生感應電勢 的過電壓。變壓器空載且電源電壓過零時，初級拉閘，因變壓器激磁電流的突變， 在次級感生出很高的瞬時電壓，這種電壓尖峰值可達工作電壓的6倍以上。交流 電網遭雷擊或電網侵入干擾過電壓，即偶發性浪涌電壓，都必須加阻容吸收路進 行保護。

3．直流側過電壓及保護

當負載斷開時或快熔斷時，儲存在變壓器中的磁場能量會產生過電壓，顯然在交 流側阻容吸收保護電路可以抑制這種過電壓，但由于變壓器過載時儲存的能量比 空載時要大，還不能完全消除。措施：能常采用壓敏吸收進行保護。 4．過電流保護

一般加快速熔斷器進行保護，實際上它不能保護可控硅，而是保護變壓器線圈。

5．電壓、電流上升率的限制

均流與晶閘管選擇

均流不好，很容易燒壞元件。為了解決均流問題，過去加均流電抗器，噪聲很大， 效果也不好，一只一只進行對比，擰螺絲松緊，很盲目，效果差，噪音大，耗能。 我們采用的辦法是：用計算機程序軟件進行動態參數篩選匹配、編號，裝配時按 其號碼順序裝配，很間單。每一只元件上都刻有字，以便下更換時參考。這樣能 使均流系數可達到0.85以上。為了減少并聯，選用大元件。這樣可以進一步提 高均流度，并減小損耗，因為每一只元件都存在一個壓降，這也是整流器的主要損耗。

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