13888147524一、晶閘管及其可控整流技術
晶閘管是一種可以控制電路中電流通斷的電力電子器件，在電路中可實現整流、逆變、變頻、斬波等功能。
1.晶閘管的結構和符號
晶閘管是由硅半導體材料做成的，內部由四層(PNPN)半導體組成，對外引出三個端子(A、G、K), 即外部的P層和N層分別引出陽極A和陰極K, 由中間的P 層引出門極G, 如圖1-1a所示。晶閘管的文字符號是VT, 圖形符號如圖1-1b所示。
2.晶閘管的特性
經試驗分析可知晶閘管具有如下特性：
1)不僅具有反向阻斷能力，同時還有正向阻斷能力。
2)正向導通的條件是：陽極加正向偏置電壓，同時門極加正向觸發(fā)電壓。
3)晶閘管一旦導通，門極就失去了控制作用
4)晶閘管要重新關斷，必須設法使其陽極電流減小到低于維持晶閘管持續(xù)導通的電流。常用的方法是降低陽極電壓或給陽極加反向電壓。
晶閘管的上述特性可以用其伏安特性曲線來描述。
(1)正向特性
1)IG=0時，當陽極正向電壓小于某一數值范圍時，陽極電流(即正向漏電流)很小，晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)；當正向電壓超過某一個值時，正向漏電流急劇加大，晶閘管導通，此時的陽極電壓叫做正向轉折電壓UBO,晶閘管的這種開通方式叫做晶閘管硬開通，正常情況下是不允許的。
2)IG>0時，晶閘管仍有一定的正向阻斷能力，但使它由正向阻斷狀態(tài)轉為正向導通狀態(tài)所需的陽極電壓比UBO要低得多，且IG越大，所需的陽極電壓越低；即只要晶閘管的陽極加上適當的正向電壓，再在門極上加上適當的觸發(fā)電壓，晶閘管就可以觸發(fā)導通，這就是晶閘管具有的可控導通特性。
(2)反向特性 晶閘管的反向特性與二極管相似，也有反向阻斷區(qū)和反向擊穿區(qū)。晶閘管一旦擊穿就永久損壞。
3.晶閘管的參數和型號
(1)晶閘管的參數
1)正向斷態(tài)重復峰值電壓UDRM:是指在額定結溫、門極斷路和晶閘管正向阻斷的情況下，允許重復加在晶閘管上的最大正向峰值電壓，一般取值比UBO低100V。
2)反向重復峰值電壓URRM:是指在額定結溫和門極斷路的情況下，允許重復加在晶閘管上的反向峰值電壓，一般取值比反向擊穿電壓UBR低100V。通常UDRM和URRM大致相等，習慣稱為峰值電壓。
3)通態(tài)平均電流I(AV):在環(huán)境溫度不超過40℃和規(guī)定的散熱條件下，允許流過的工頻正弦半波電流在一個周期內的平均值，簡稱為正向電流。當在一個周期內晶閘管導通的電角度小于180°時，允許流過的電流必須降低。
4)通態(tài)(峰值)電壓Ur:是指晶閘管通以某一規(guī)定倍數的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標值作為器件的通態(tài)峰值電壓。
5)維持電流I: 是指在規(guī)定的環(huán)境溫度和門極斷路的情況下，維持晶閘管持續(xù)導通的最小陽極電流；它是晶閘管由導通到關斷的臨界電流。
(2)晶閘管的型號 KP系列普通晶閘管的型號及含義如下：
例如：型號為KP100—8F的晶閘管表示額定電流為100A、 額定電壓為800V、正向導通壓降組別為F的普通晶閘管。
4.晶閘管可控整流電路
晶閘管可控整流路的作用是把交流電變換成大小可調的直流電，這是通過改變可控整流電路中晶閘管的觸發(fā)延遲角α來實現的。觸發(fā)延遲角增大，輸出電壓的平均值減小，反之則升高。
晶閘管可控整流電路有單相和三相兩種，單相可控整流電路又有單相半波整流電路、單相全波整流電路、單相半控橋式整流電路幾種，三相可控整流電路又分為三相半波可控整流電路和三相橋式全控整流電路。下面分別以單相半控橋式整流電路和三相半波可控整流電路說明其工作原理。
(1)單相半控橋式整流電路1)電路組成：如圖1-3a所示，該電路主要由整流變壓器、晶閘管、二極管和負載電阻等組成。電路中晶閘管VT1和VT2的陰極接在一起，代替了二極管橋式整流電路中對應的兩個二極管，觸發(fā)脈沖同時加到兩個晶閘管的門極和陰極之間，根據晶閘管的導通條件可以分析電路的功能和
電路中晶閘管和二極管的導通情況。
2)工作原理：通過分析加到晶閘管兩端的電壓和觸發(fā)脈沖的瞬時極性，判斷晶閘管的導通情況，從而得到負載上的電壓波形，進而得出輸出電壓的數值
關系并依此選用晶閘管。具體分析過程如下：
在電源電壓u2的正半周，VT1、VD2承受正向電壓，t₁時刻加入正的觸發(fā)脈沖uG,VT1被觸發(fā)導通，電流回路為：a→VT1→R→VD2→b, 此時VT2和VD1因承受 反向電壓而關斷，負載上得到的電壓等于電源電壓u₂;當u₂接近零時，VT1因正向 電流小于維持電流而關斷。
在電源電壓u₂的負半周，VT2和VD1承受正向電壓，t₂時刻隨著正觸發(fā)脈 沖的加入，VT2被觸發(fā)導通，電流回路為：b→VT2→R→VD1→a,此時VT1和VD2因承受反向電壓而關斷，負載上得到的為和u₂反向的電壓。當u₂接近零時，VT2因正向電流小于維持電流而關斷。
如此周而復始，負載上得到的電壓波形如圖1-3b所示。
我們把從晶閘管承受正向陽極電壓開始到加入正的門極觸發(fā)電壓使其開始 導通之間的電角度稱為觸發(fā)延遲角，用α表示。晶閘管在一個周期內導通的電 角度叫做導通角，用θ表示。將觸發(fā)延遲角α變化的范圍稱為移相范圍。通過改變觸發(fā)延遲角α的大小，就可改變輸出電壓的大小。
由上述分析可知，單相半控橋式整流電路輸出電壓的大小與觸發(fā)延遲角α有關，輸出電壓的平均值為
輸出電流的平均值為
IL=UL/RL (1-2)
式中 U₂——交流電源電壓的有效值(V);
α——觸發(fā)延遲角(°);
RL——負載電阻(Ω);
UL——輸出電壓的平均值(V);
IL——輸出電流的平均值(A)。
每只晶閘管承受的最高反向峰值電壓為√2U₂ , 每只晶閘管的平均電流為負載平均電流的1/2。
例1-1 如圖1-3所示，最大輸出電壓是110V, 輸出電流是50A,求：交流 電源電壓的有效值U2;當α=60°時，輸出電壓的平均值是多少?
解當α=0°時電路有最大輸出電壓，由式(1-1)可得
當α=60°時，有
(2)三相半波可控整流電路
1)工作原理：如圖1-4所示，當觸發(fā)延遲角α=0°時，輸出電壓的平均值最大，晶閘管相當于普通整流二極管；當0°<α≤30°時，輸出電壓的波形是連續(xù)的；當30°<α≤150°時，輸出電壓的波形是不連續(xù)的。該電路實際上觸發(fā)延 遲角的調節(jié)范圍是較小的，移相范圍為150°;當α<0°時，輸出電壓將造成斷相運行，這是不允許的。
2)電路的輸出電壓和電流：當0°<α≤30°時，輸出電壓的平均值為UL=1.17U₂cosα; 當30°<α≤150°時，輸出電壓的平均值為UL=0.68U₂ [1+cos(α+30°)]。流過每個晶閘管的平均電流是負載平均電流的1/3。
需要說明的是，對三相電源而言，三相半波可控整流電路比單相可控整流電路平衡，輸出電壓的脈動程度小。主電路由電網直接供電，由于各相中有較大的直流成分，會使變壓器的鐵心磁化、變壓器的效率降低；可以采用三相半控橋式整流電路和三相橋式整流電路來改善此性能。如果要求輸出的電流較大，可以采用六相半波整流電路。
(3)負載類型對晶閘管的影響
1)電感性負載的影響：當負載為電感性負載時，由于流過電感的電流發(fā)生變化，電感中產生感應電動勢，它使得負載電流的變化滯后于電壓的變化；當交流電壓過零點時晶閘管本應關斷，但由于這時的電流仍大于維持電流，使得晶閘管在電源電壓過零點時不能自行關斷。為了解決這一問題，需要在負載兩 端反向并聯一個二極管(稱為續(xù)流二極管),如圖1-5所示。在負載兩端并上續(xù) 流二極管之后，當u2過零變負時，電感性負載產生的電動勢通過續(xù)流二極管導通構成負載電流的回路。
2)反電動勢負載的影響：反電動勢負載對晶閘管整流輸出電壓的影響如圖 1-6所示。該電路中，只有當u₂電壓大于反電動勢時，晶閘管才能導通，形成電流輸出。其他時間負載電流為零，晶閘管斷開�？梢�，反電動勢負載使得晶鬧管的導通角減小，負載電流的平均值也減小。因此，在實際應用電路中，為了擴大移相范圍，一般在反電動勢負載電路中串聯濾波電抗器，使負載呈電感性，同時并上續(xù)流二極管，使得電路的工作情況同電阻負載時一樣。
5.晶閘管觸發(fā)電路
晶閘管觸發(fā)電路是指能為晶閘管提供觸發(fā)信號的電路。
(1)對觸發(fā)信號的要求 晶閘管對觸發(fā)信號的要求是：觸發(fā)脈沖的上升沿要陡；要有足夠的功率和一定的寬度、幅度；必須和晶閘管的陽極電源同步；觸發(fā)脈沖要有一定的移相范圍。
(2)觸發(fā)脈沖的輸出方式 觸發(fā)脈沖有直接輸出和變壓器輸出兩種輸出方式。
1)直接輸出：觸發(fā)電路與晶閘管的門極直接連接稱為直接輸出。它的優(yōu)點是：效率較高，對脈沖信號前沿的陡度影響較小，電路簡單，成本低；缺點是：觸發(fā)電路與主電路有電的聯系，在要求觸發(fā)電路與主電路隔離的場合不能使用，適用于觸發(fā)少量晶閘管而且觸發(fā)電路與主電路絕緣的場合。
2)變壓器輸出：它的優(yōu)點是觸發(fā)電路與主電路之間實現了電氣隔離；缺點是脈沖變壓器要消耗一部分觸發(fā)脈沖功率，使輸出脈沖的幅度和前沿受損。
(3)單結晶體管觸發(fā)電路 常用的觸發(fā)電路為單結晶體管觸發(fā)電路。單結 晶體管又稱為雙基極二極管，它有一個發(fā)射極(E) 和兩個基極(B1、B2), 如圖 1-7a所示。單結晶體管具有負阻特性，在基極電源電壓一定的條件下，發(fā)射極電流I和發(fā)射極與第一基極B1間的電壓UE之間的特性曲線如圖1-7c所示。
由特性曲線可以得出以下結論：
1)發(fā)射極電壓Ug小于峰點電壓UP時，單結晶體管截止，只有很小的發(fā)射極電流。
2)發(fā)射極電壓Ug等于峰點電壓Up時，單結晶體管導通，導通后U, 隨IE的增大而降低，呈現負阻特性。
3 ) 當UE下降到最低點(即谷點)以后，UE隨著IE的增加而緩慢上升，進入飽和狀態(tài)。
單結晶體管觸發(fā)電路由同步電路、整流電路、削波電路、RC充放電電路、脈沖輸出電路構成。同步電路由同步變壓器TS完成，其作用是使觸發(fā)脈沖與主電路同步，并向觸發(fā)電路提供一個低電壓u2,經橋式整流電路整流后變成脈動的直流電。脈動的直流電經削波電路削頂之后得到一個梯形波電壓Uz,作為單結晶體管觸發(fā)電路的電源電壓。U₂經R和RP對電容C充電，當Uc上升到大于單結晶體管的峰點電壓時，單結晶體管導通，電容C通過E和B1放電，在R上形成的觸發(fā)脈沖電壓加到主電路中兩個晶閘管的門極，使處于承受正向電壓 的晶閘管導通。電容C放電后，Uc下降，當低于谷點電壓時，單結晶體管截止，輸出的觸發(fā)脈沖為零。通過改變RP的阻值可改變電容C充放電速度的快慢，即改變了加在晶閘管門極上第一個觸發(fā)脈沖的時刻(也就是改變了觸發(fā)延遲角α),從而達到觸發(fā)脈沖移相的目的，控制了主電路輸出電壓的大小。
電路中因觸發(fā)電路電源電壓和主電路電源電壓同時過零，因此它保證了觸發(fā)電路產生的脈沖電壓都在同一時刻出現，即保證了觸發(fā)電壓和交流電源電壓同步，實現了輸出電壓的穩(wěn)定。
(4)晶體管觸發(fā)電路 采用脈沖變壓器輸出的晶體管觸發(fā)電路，如圖1-9所示。電路中同步電源電壓u2對C₁充電，C₁對R₁和L放電的結果是在C₁兩端獲得鋸齒波電壓UC1。UK為加在V輸入回路中的直流控制電壓，Uc和Ux疊加后加在V的基極和發(fā)射極之間。當UC1>IUkI時，V截止；當UC1<IUKI時，V導通。當V由截止變?yōu)閷〞r，脈沖變壓器的二次側便產生脈沖輸出電壓。改變控制電壓Uk的大小就可以改變V的截止和導通的時刻，即達到了移相的目的。
(5)集成觸發(fā)電路 晶閘管集成觸發(fā)電路種類較多，如KC系 列 、TC系列等集成觸發(fā)器。集成觸發(fā)器可用于單相電源或三相電源的晶閘管移相觸發(fā)電路和脈寬調制電路中，以構成調壓、調功等變流裝置。與KC系列電路相比，TC系列集成觸發(fā)器具有功耗小、功能強、輸人阻抗高、抗干擾性能好、移相范圍寬、外接元器件少等優(yōu)點。下面以TC782為例介紹其應用電路。
TC782集成電路的內部由過零和極性檢測、鋸齒波形成、鋸齒波比較，經過抗干擾鎖定、脈沖形成等電路組成。
該電路為交流調壓電路。電路中由R1、VD1、VS、C3構成簡單的整流濾波穩(wěn)壓電路，為觸發(fā)集成電路和脈沖輸出電路提供直流電源。同步信號經分壓電阻R₂、R₃分壓后進入TC782的14腳，通過內部過零檢測和極性判別電路檢測出零點和極性，在電容C1上積分形成鋸齒波，鋸齒波的大小與電容C1的容量成反比，12腳上接大阻值電阻可微調鋸齒波。鋸齒波與移相電壓在集成電路內部的比較器中比較，取得相交點即為移相角，移相電壓由1腳通過電位器或外電路調節(jié)取得。調節(jié)RP1,增加移相電壓，輸出導通角減小，輸出電壓也就降低。脈沖形成電路是由內部的脈沖發(fā)生器給出調制脈沖列，這個脈沖列的寬度就是調制脈沖(或方波)的寬度，改變電容C₂的容量可改變調制頻率，從而改變調制脈沖(或方波)的寬度。輸出采用調制脈沖(或方波)可通過TC782的管腳來選擇，2腳低電平輸出為方波，脈沖輸出可以從7腳、8腳或9腳引出，9腳輸出為同步正負半周輸出脈沖，經晶體管V1驅動觸發(fā)雙向晶閘管V2導通；從而使RL上得到輸出可變的交流電壓。
6.晶鬧管的保護
(1)過電流保護當流過晶閘管的電流超過其額定通態(tài)平均電流時稱為過電流。為了保證晶閘管在過電流時能迅速切斷過電流，從而保護晶閘管故設置了過電流保護。
常用的過電流保護措施有靈敏過電流繼電器保護、直流快速斷路器保護和快速熔斷器保護，其中多采用快速熔斷器保護�？焖偃蹟嗥髟陔娐分械慕尤敕绞接腥N：接在直流側、接在交流側以及與晶閘管串聯，如圖1-11所示。需要注意的是，快速熔斷器的標稱是以電流有效值標識的，晶閘管額定通態(tài)平均電流的1.57倍可作為選擇快速熔斷器熔體電流的依據。例如額定通態(tài)平均電 流為10A的晶閘管，必須選擇熔體電流為15A的快速熔斷器對它進行過電流保護。
(2)過電壓保護 當加在晶閘管兩端的電壓超過其額定電壓時，稱為過電壓。常用的過電壓保護措施有阻容保護和金屬氧化物壓敏電阻(簡稱壓敏電阻)保護兩種。阻容保護是通過串聯的RC 阻容吸收回路來實現的。圖1-12所示電路是分別在直流側、交流側和晶閘管兩端加阻容吸收回路的接法。壓敏電阻保護主要是利用其獨有的電壓電流特性來抑制過電壓。圖1-13所示為壓敏電阻的幾種接法。
7.晶閘管的選擇和檢測
(1)晶閘管的選擇
1)晶閘管電壓等級的選擇，可按下面的經驗公式進行估算：
URRM≥(1.5～2)URM
式中 URM——晶閘管在工作中可能承受的反向峰值電壓(V)。
2)晶閘管電流等級的選擇，一般按電路最大工作電流來選擇
ITAV≥(1.5～2)ILM
式中 ILM——電路最大工作電流(A)。
(2)晶閘管的檢測 判別晶閘管的好壞和對應電極的依據是利用其內部結構和特性，使用萬用表的電阻擋來進行判別。
1)晶閘管電極的判別。將萬用表置于R×10或Rx1k電阻擋，首先測量任意兩個電極之間的電阻，如果測量出的兩電極間的電阻較小，則該兩個電極為門極和陰極。測試阻值較小時黑表筆對應的是門極，紅表筆對應的是陰極。
2)晶閘管好壞的判別�？赏ㄟ^測量其各個電極之間的電阻來判別。正常情況下，用萬用表的Rx1k擋，測量陽極和陰極的正反向電阻、門極和陽極之間 的正反向電阻，其值均應在幾百千歐以上；萬用表置于R×10電阻擋時，門極和陰極間的電阻應有較大差異，否則管子是壞的。
二、變頻技術
變頻技術不但可應用在工業(yè)控制中控制電動機的轉速，也可用于家電產品 (例如空調器、熒光燈等)的控制。用于電動機控制的變頻器，既可以改變電壓，又可以改變頻率，它的工作原理被廣泛應用于各個領域，本節(jié)主要介紹交流電動機變頻調速方面的基礎知識。
1.變頻器的分類
在我國，電網所提供的交流電源的頻率(50Hz)是固定不變的，而電壓取決于各變、配電站提供的電壓，通常也是不變的。實際工業(yè)生產和家電產品中往往需要把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電來滿足設備的需求，將電源頻率的改變稱為變頻，將滿足此功能的裝置稱作“變頻器"。
(1)按變換的環(huán)節(jié)劃分
1)交-交變頻器：也稱為直接變頻器。它把頻率固定的交流電直接變換成 頻率連續(xù)可調的交流電。其主要優(yōu)點是沒有中間環(huán)節(jié)、變換效率高，但其連續(xù)可調的頻率范圍較窄，主要應用于容量較大的低速拖動系統(tǒng)中。
2)交-直-交變頻器：也稱為間接變頻器。它先把頻率固定的交流電整流成直流電，再把直流電逆變成頻率連續(xù)可調的交流電。由于將直流電逆變成交流電的環(huán)節(jié)容易控制，因此，在其頻率調節(jié)范圍以及改善變頻后電動機的特性方面具有明顯的優(yōu)勢。
(2)按電壓的調制方式劃分
1)PAM(脈沖幅度調制):它是通過改變輸出脈沖幅度來調節(jié)輸出電壓的大小和波形的一種調制方式。
2)PWM(脈沖寬度調制):它是通過改變輸出脈沖的寬度或者是占空比來調節(jié)輸出電壓的大小和波形的一種調制方式。
(3)按直流環(huán)節(jié)的儲能環(huán)節(jié)方式劃分
1)電流型：其直流環(huán)節(jié)的儲能元件是電感。
2)電壓型：其直流環(huán)節(jié)的儲能元件是電容器。
2.變頻器的構成與工作原理
變頻器一般由整流器、逆變器、濾波器、驅動電路、保護電路以及控制器(MCU/DSP)等部分組成。圖1-14為PWM型交-直-交變頻器的接線圖。由圖可知，這是一個VVVF變頻調速系統(tǒng)。將單相或三相交流電通過整流器并經電容濾波后形成幅值基本固定的直流電壓加在逆變器上，利用逆變器功率器件的通 斷控制，使逆變器輸出端獲得一定形狀的矩形脈沖波形。通過改變矩形脈沖的寬度控制其電壓幅值，通過改變調制周期控制其輸出頻率，在逆變器上同時進行輸出電壓和頻率的控制，從而滿足變頻調速對U/f協(xié)調控制的要求。采用PWM控制的優(yōu)點是能消除與抑制低次諧波，使負載電動機在近似正弦波的交變電壓下運行、轉矩脈沖小、調速范圍寬等。
3.變頻技術的發(fā)展方向
(1)交流變頻向直流變頻方向轉化 直流變頻是以數字轉換電路代替交流 變頻中的交流轉換電路，使負載電動機始終處于最佳運行狀態(tài)。它摒棄了原有的交-直-交變頻技術，采用先進的交流-直流控制技術。此種方式無逆變環(huán)節(jié)， 因而減少了電流在工作中轉變的次數，使電能轉化效率大大提高，能夠實現精確的控制，并平穩(wěn)、安靜、高效地運轉。同時，克服了交流變頻電動機電磁噪聲較大的缺點，使噪聲降低。
(2)控制技術由PWM(脈寬調制)向PAM(脈幅調制)方向發(fā)展采用PWM控制方式的電動機轉速受到上限轉速的限制，如壓縮機轉速一般不超過7000r/min。而采用PAM控制方式的壓縮機轉速可提高1.5倍左右，這樣大大提高了壓 縮機快速制冷和制熱能力。同時，由于PAM在調整電壓時具有對電流波形的整形作用，因而可以獲得比PWM更高的效率。此外，在抗干擾方面也有著PWM無法比擬的優(yōu)越性，可抑制諧波的生成，減少對電網的污染。
(3)功率器件向高集成智能功率模塊發(fā)展 智能功率模塊(IPM)是將功率 器件的配置、散熱乃至驅動問題在模塊中加以解決，因而易于使用，可靠性高。以變頻空調為例，我國的變頻空調幾乎100%采用IPM方式。
