晶閘管在大功率變頻技術(shù)中

晶閘管在大功率變頻技術(shù)中的應(yīng)用

摘要:晶閘管在大功率變頻技術(shù)中的應(yīng)用極為廣泛。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年代問世以來已經(jīng)發(fā)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(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

晶閘管的結(jié)構(gòu)

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(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,只是多了一個控制極。晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)PNPN四層半導(dǎo)體構(gòu)成,中間形成三個PN結(jié):J1、J2、J3。從下面的P1層引出陽極,從上層引出陰極,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?電流只能從陽極流向陰極,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,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。

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(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―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(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),形成正反饋過程,從而使晶閘管完全導(dǎo)通(電流的大小外加電源電壓和負(fù)載電阻決定)這個導(dǎo)通過程是在極短的時間內(nèi)完成的,一般不超過幾微秒,稱為觸發(fā)導(dǎo)通過程。導(dǎo)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(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,晶閘管的正向壓降一般約為～。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減小使陽極電流降低到小于某一數(shù)值IH時,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、勵磁、及合閘操作電源等領(lǐng)域。另一個主要用這是做成直流拖動的調(diào)速裝置。以往對于要求調(diào)速或起制動性能較高的拖動裝置,一般均采用電動機(jī)—發(fā)電機(jī)變流機(jī)組來得到可控直流電壓,以實現(xiàn)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(yōu)點代替了機(jī)組,并可得到更佳的靜態(tài)及動態(tài)指標(biāo)。在海上石油鉆井平臺,目前從電動機(jī),到各中小型輔助機(jī)械的直流電動機(jī)中,均采用晶閘管供電或勵磁的調(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(yīng)用是對交流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速,如海上石油鉆井平臺電網(wǎng)串級調(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,國外的交流調(diào)違拖動裝置發(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。具有無火花、無磨損、無噪音及壽命長的特點,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:

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,與直流傳動中的機(jī)組相比,要高三個數(shù)量級。

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

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,無噪音污染,無火花及磨損,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是:

①過載能力小,常要求有可靠的保護(hù)措施。

②交流側(cè)產(chǎn)生高次諧波,對電網(wǎng)有