可控硅整流器的特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用分析

可控硅整流器是一種以晶閘管（電力電子功率器件）為基礎(chǔ)，以智能數(shù)字控制電路為核心的電源功率控制電器。具有效率高、無機(jī)械噪聲和磨損、響應(yīng)速度快、體積小、重量輕等諸多優(yōu)點(diǎn)?！癗X70系列晶閘管整流器”通過對(duì)電壓、電流和功率的精確控制，從而實(shí)現(xiàn)精密控溫。并且憑借其先進(jìn)的數(shù)字控制算法，優(yōu)化了電能使用效率。對(duì)節(jié)約電能起了重要作用。

1.整流元件（晶閘管）

簡(jiǎn)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(wěn)的可調(diào)的單方向的直流電流。其實(shí)現(xiàn)條件主要是依靠整流管，晶閘管等元件通過整流來實(shí)現(xiàn)。除此之外整流器件還有很多，如：可關(guān)斷晶閘管GTO，逆導(dǎo)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(dǎo)體器件，由于它效率高，控制特性好，壽命長(zhǎng)，體積小等優(yōu)點(diǎn)，自上個(gè)世紀(jì)六十長(zhǎng)代以來，獲得了迅猛發(fā)展，并已形成了一門獨(dú)立的學(xué)科。“晶閘管交流技術(shù)”。 晶閘管發(fā)展到今天，在工藝上已經(jīng)非常成熟，品質(zhì)更好，成品率大幅提高，并向高壓大電流發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)晶閘管最大額定電流可達(dá)5000A，國(guó)外更大。我國(guó)的韶山電力機(jī)車上裝載的都是我國(guó)自行研制的大功率晶閘管。

晶閘管的應(yīng)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(shí)現(xiàn)交流——可變直流

二、交流調(diào)壓與調(diào)功

利用晶閘管的開關(guān)特性代替老式的接觸調(diào)壓器、感應(yīng)調(diào)壓器和飽和電抗器調(diào)壓。為了消除晶閘管交流調(diào)壓產(chǎn)生的高次諧波，出現(xiàn)了一種過零觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載交流功率的無級(jí)調(diào)節(jié)即晶閘管調(diào)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(yuǎn)距離輸送以減少損耗，增加電力網(wǎng)的穩(wěn)定，然后由逆變器將直流高壓逆變?yōu)?0HZ三相交流。直流——交流

中頻加熱和交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速、串激調(diào)速等變頻，交流——頻率可變交流

四、斬波調(diào)壓（脈沖調(diào)壓）

斬波調(diào)壓是直流——可變直流之間的變換，用在城市電車、電氣機(jī)車、電瓶搬運(yùn)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(diǎn)功率靜態(tài)開關(guān)（固態(tài)開關(guān)）

作為功率開關(guān)元件，代替接觸器、繼電器用于開關(guān)頻率很高的場(chǎng)合

晶閘管導(dǎo)通條件：

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

根據(jù)晶閘管陽(yáng)極伏安特性，可以總結(jié)出：

1.門極斷開時(shí)，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(yáng)極電壓升高而增大。當(dāng)陽(yáng)極電壓升到足夠大時(shí)，會(huì)使晶閘管導(dǎo)通，稱為正向轉(zhuǎn)折或“硬開通”。多次硬開通會(huì)損壞管子。

2.晶閘管加上正向陽(yáng)極電壓后，還必須加上觸發(fā)電壓，并產(chǎn)生足夠的觸發(fā)電流，才能使晶閘管從阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。觸發(fā)電流不夠時(shí)，管子不會(huì)導(dǎo)通，但此時(shí)正向漏電流隨著增大而顯著增大。晶閘管只能穩(wěn)定工作在關(guān)斷和導(dǎo)通兩個(gè)狀態(tài)，沒有中間狀態(tài)，具有雙穩(wěn)開關(guān)特性。是一種理想的無觸點(diǎn)功率開關(guān)元件。

3.晶閘管一旦觸發(fā)導(dǎo)通，門極完全失去控制作用。要關(guān)斷晶閘管，必須使陽(yáng)極電流《維持電流，對(duì)于電阻負(fù)載，只要使管子陽(yáng)極電壓降為零即可。為了保證晶閘管可靠迅速關(guān)斷，通常在管子陽(yáng)極電壓互降為零后，加上一定時(shí)間的反向電壓。

晶閘管主要特性參數(shù)

1.正反向重復(fù)峰值電壓——額定電壓（VDRM 、 VRRM取其小者）

2.額定通態(tài)平均電流IT（AV）——額定電流（正弦半波平均值）

3.門極觸發(fā)電流IGT，門極觸發(fā)電壓UGT， （受溫度變化）

4.通態(tài)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(guān)斷時(shí)間

晶閘管的選擇：

晶閘管的過載能力差，根據(jù)實(shí)際最大電流還要乘以1.5~3倍，即電流裕量。通常按平均電流IT（AV）選取，額定電流的有效值ITe（即均方根值）為平均電流的1.57倍。

波形系數(shù)Kf=Ite/IT（AV）=1.57

額定電壓應(yīng)取實(shí)際工作時(shí)的可能最大電壓2~3倍，即電壓裕量。

同時(shí)還要加上必要的保護(hù)措施。

門極觸發(fā)電流：幾十個(gè)mA~幾百mA，離開這個(gè)范圍可能誤觸發(fā)或難觸發(fā)

門極觸發(fā)電壓：3V左右

臺(tái)面有凹臺(tái)和凸臺(tái)之分，散熱器與此有關(guān)

2.主電路型式及多相整流

一、單相

1. 單相半波可控整流電路

2. 單相全波可控整流電路（雙半波）

3. 單相半控橋式可控整流電路

4. 單相橋式可控整流電路

二、三相

1. 三相半波可控整流電路

2. 三相橋式全控整流電路

3. 三相橋式半控整流電路

4. 三相全控橋式同相逆并聯(lián)整流電路

5. 雙反星形帶平衡電抗器可控整流電路

6. 雙反星形帶平衡電抗器全電路同相逆并聯(lián)可控整流Δ/Y┻Y+ Y┻Y

三、多相整流

多相整流可以大幅降低高次諧波電流，減少對(duì)電網(wǎng)的污染。

不論是三相橋式還是雙反星形電路都可以組成多相整流。如12、24、36、48脈波，即在一個(gè)交流周波中直流脈動(dòng)次數(shù)。一般來說，24脈波以上變壓器結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜，整變閥側(cè)出線銅排較多，這樣帶來了一些其它困難。大容量機(jī)組可以用多臺(tái)整流機(jī)組，通過移相相位差及并聯(lián)運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)多相整流。

3.保護(hù)

可控硅本身在選擇時(shí)就已準(zhǔn)備了很大的電流電壓裕量。為了使整流器可靠的工作，還必須加上各種保護(hù)。過流，限流，過壓，快熔斷，元件損壞，水壓異常，水溫高，缺相，欠支路，橋臂過熱，防雷擊，控制電路過流過壓失控等;整變輕重瓦斯，油溫異常。

（1）晶閘管關(guān)斷過電壓（換流過電壓、空穴積蓄效應(yīng)過電壓）及保護(hù)

晶閘管從導(dǎo)通到阻斷，線路電感（主要是變壓器漏感LB）釋放能量產(chǎn)生過電壓。由于晶閘管在導(dǎo)通期間，載流子充滿元件內(nèi)部，在關(guān)斷過程中，管子在反向作用下，正向電流下降到零時(shí)，元件內(nèi)部殘存著載流子。這些載流子在反向電壓作用下瞬時(shí)出現(xiàn)較大的反向電流，使殘存的載流子迅速消失，這時(shí)反向電流減小即diG/dt極大，產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)很大，這個(gè)電勢(shì)與電源串聯(lián)，反向加在已恢復(fù)阻斷的元件上，可導(dǎo)致晶閘管反向擊穿。這就是關(guān)斷過電壓（換相過電壓）。數(shù)值可達(dá)工作電壓的5~6倍。保護(hù)措施：在晶閘管兩端并接阻容吸收電路。

（2）交流側(cè)過電壓及其保護(hù)

由于交流側(cè)電路在接通或斷開時(shí)出現(xiàn)暫態(tài)過程，會(huì)產(chǎn)生操作過電壓。高壓合閘的瞬間，由于初次級(jí)之間存在分布電容，初級(jí)高壓經(jīng)電容耦合到次級(jí)，出現(xiàn)瞬時(shí)過電壓。措施：在三相變壓器次級(jí)星形中點(diǎn)與地之間并聯(lián)適當(dāng)電容，就可以顯著減小這種過電壓。與整流器并聯(lián)的其它負(fù)載切斷時(shí)，因電源回路電感產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)的過電壓。變壓器空載且電源電壓過零時(shí)，初級(jí)拉閘，因變壓器激磁電流的突變，在次級(jí)感生出很高的瞬時(shí)電壓，這種電壓尖峰值可達(dá)工作電壓的6倍以上。交流電網(wǎng)遭雷擊或電網(wǎng)侵入干擾過電壓，即偶發(fā)性浪涌電壓，都必須加阻容吸收路進(jìn)行保護(hù)。

（3）直流側(cè)過電壓及保護(hù)

當(dāng)負(fù)載斷開時(shí)或快熔斷時(shí)，儲(chǔ)存在變壓器中的磁場(chǎng)能量會(huì)產(chǎn)生過電壓，顯然在交流側(cè)阻容吸收保護(hù)電路可以抑制這種過電壓，但由于變壓器過載時(shí)儲(chǔ)存的能量比空載時(shí)要大，還不能完全消除。措施：能常采用壓敏吸收進(jìn)行保護(hù)。

（4）過電流保護(hù)

一般加快速熔斷器進(jìn)行保護(hù)，實(shí)際上它不能保護(hù)可控硅，而是保護(hù)變壓器線圈。

（5）電壓、電流上升率的限制

4.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(jìn)行對(duì)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(jì)算機(jī)程序軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)參數(shù)篩選匹配、編號(hào)，裝配時(shí)按其號(hào)碼順序裝配，很間單。每一只元件上都刻有字，以便下更換時(shí)參考。這樣能使均流系數(shù)可達(dá)到0.85以上。為了減少并聯(lián)，選用大元件。這樣可以進(jìn)一步提高均流度，并減小損耗，因?yàn)槊恳恢辉即嬖谝粋€(gè) 壓降， 這也是整流器的主要損耗。

5.觸發(fā)控制電路

目前，可控硅觸發(fā)電路有很多：模擬IC集成觸發(fā)電路，其中有國(guó)產(chǎn)IC KJ004（KJ009）; 進(jìn)口IC有TCA785 ，787電路;數(shù)字觸發(fā)（一種邏輯芯片）模擬控制，可同步鎖相;單片機(jī)觸發(fā)控制電路也越來越廣泛應(yīng)用，都可PI調(diào)節(jié)。都能滿足可控硅的觸發(fā)要求。

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