晶闸管在大功率变频技术中的应用
摘要: 晶闸管在大功率变频技术中的应用极为广泛。本文首先阐述晶闸管的结构与工作原理,然后分析一下晶闸管在大功率变频技术中的应用,具有一定的参考价值。
关键词: 晶闸管;大功率变频技术;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。
(3)斩波调压
利用晶闸管作为直流开关,控制晶闸管的通断比和通断频率,将一固定直流电压变换成可调的直流电压称斩波电压。它主要用于直流拖动的脉冲调速,在地铁、电车、电气机车及作为码头和厂内运输的电瓶车上广泛使用,串电阻的调速方法,控制方便,节能显著。
(4)电力电子开关
利用晶闸管作为电子开关,代替频繁通断的接触器和继电器。具有无火花、无磨损、无噪音及寿命长的特点,并可得到较好的开关性能及节能效果。常做成交流调压器,用于海上石油钻井平台的调光;作成调功器,用于加热妒的温度控制;以及电机的调压调速与正反转控制。
晶闸管变流控制装置,有以下优点:
①装置的功率放大倍数大,晶闸管的放大倍数可达10000以上,与直流传动中的机组相比,要高三个数量级。
②快速响应好,晶闸管是0.001秒级,与机组相比,机组为秒级。
③功耗小,效率高。加上装置本身性能的改善,节能效果显著。
④是静止式的电子装置,体积小,重量轻,无噪音污染,无火花及磨损,维护工作量小,可靠性高。
⑤设备投资低。特别是随着元器件生产的发展,成本的降低,装置所需费用将进一步降低。
晶闸管变流控制装置的主要缺点是:
①过载能力小,常要求有可靠的保护措施。
②交流侧产生高次谐波,对电网有不良影响。
③控制角大时,功率因数低。
4.结论
晶闸管在大功率变频技术中的应用极为广泛,因此很有必要对其进行探讨,这是一个很漫长而艰巨的任务,同时也是一个研究的新趋势,具有较大的经济价值和社会意义。
参考文献:
[1] 董永志, 董云丽, 翟建楠, 刘健华. 一种晶闸管移相触发电路[J]. 中国新技术新产品 , 2009, (10)
[2] 周志文. 基于单片机的晶闸管交流调压器设计[J]. 机械研究与应用 , 2009, (01)
[3] 赵小南. 电视演播室同步系统的设计与调整[J]. 电视技术 , 2009, (02)
[4] 田福平. 晶闸管中频电源故障诊断与分析[J]. 今日科苑 , 2009, (10)
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关键词: 晶闸管;大功率变频技术;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。
(3)斩波调压
利用晶闸管作为直流开关,控制晶闸管的通断比和通断频率,将一固定直流电压变换成可调的直流电压称斩波电压。它主要用于直流拖动的脉冲调速,在地铁、电车、电气机车及作为码头和厂内运输的电瓶车上广泛使用,串电阻的调速方法,控制方便,节能显著。
(4)电力电子开关
利用晶闸管作为电子开关,代替频繁通断的接触器和继电器。具有无火花、无磨损、无噪音及寿命长的特点,并可得到较好的开关性能及节能效果。常做成交流调压器,用于海上石油钻井平台的调光;作成调功器,用于加热妒的温度控制;以及电机的调压调速与正反转控制。
晶闸管变流控制装置,有以下优点:
①装置的功率放大倍数大,晶闸管的放大倍数可达10000以上,与直流传动中的机组相比,要高三个数量级。
②快速响应好,晶闸管是0.001秒级,与机组相比,机组为秒级。
③功耗小,效率高。加上装置本身性能的改善,节能效果显著。
④是静止式的电子装置,体积小,重量轻,无噪音污染,无火花及磨损,维护工作量小,可靠性高。
⑤设备投资低。特别是随着元器件生产的发展,成本的降低,装置所需费用将进一步降低。
晶闸管变流控制装置的主要缺点是:
①过载能力小,常要求有可靠的保护措施。
②交流侧产生高次谐波,对电网有不良影响。
③控制角大时,功率因数低。
4.结论
晶闸管在大功率变频技术中的应用极为广泛,因此很有必要对其进行探讨,这是一个很漫长而艰巨的任务,同时也是一个研究的新趋势,具有较大的经济价值和社会意义。
参考文献:
[1] 董永志, 董云丽, 翟建楠, 刘健华. 一种晶闸管移相触发电路[J]. 中国新技术新产品 , 2009, (10)
[2] 周志文. 基于单片机的晶闸管交流调压器设计[J]. 机械研究与应用 , 2009, (01)
[3] 赵小南. 电视演播室同步系统的设计与调整[J]. 电视技术 , 2009, (02)
[4] 田福平. 晶闸管中频电源故障诊断与分析[J]. 今日科苑 , 2009, (10)
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