1.介绍
晶闸管也叫可控硅。自20世纪50年代问世以来,它已经发展成为一个大家族,主要成员有单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、反向晶闸管、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,具有容量大、电压高、损耗低、易于控制等特点。是大功率变频技术的理想器件。
2.晶闸管的结构和工作原理
2.1晶闸管的结构它有三个电极,螺旋端为阳极A的引出端,与散热器固定;另一根较粗的引线是阴极K,较细的引线是控制极g,一般容量较大的晶闸管是扁平的,可以配风冷或水冷散热器。容量较小的晶闸管类似于大功率二极管,只是它多了一个控制电极。晶闸管内部结构由四层PNPN半导体组成,中间形成三个PN结:J1、J2和JBOY3乐队。阳极从下P1层引出,阴极从上层引出,控制电极从中间P2层引出。
晶闸管和二极管一样,具有单向导电性,电流只能从阳极流向阴极。当元件被施加反向电压时,只有非常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。
与二极管不同,晶闸管还具有正向导通的可控特性。当元件加直流电压时,元件还不能导通,处于正向阻断状态,这是二极管所没有的。
2.2晶闸管的工作原理
晶闸管工作过程中,阳极A和阴极K接电源和负载构成晶闸管主电路,门板G和阴极K接控制装置构成晶闸管控制电路(或触发电路)。当阳极和阴极之间加直流电压VAK(EA),控制栅和阴极之间加直流电压VGK(EG)时,产生控制极电流IG(即IB2),该电流被T2放大,形成集电极电流IC2=β2*IB2,即T1的基极电流,即IB1=IC2也被T1放大,得到集电极电流IC1 = β 1 *。这个电流又被放大为T2的基极电流,如此循环往复,形成正反馈过程,使晶闸管完全导通(电流的大小由施加的电源电压和负载电阻决定)。这个开启过程在非常短的时间内完成, 通常小于几微秒,并且被称为触发开启过程。即使EG在导通后被切除,晶闸管仍能通过自身的正反馈维持导通。变得无法控制。所以EG只是起到触发传导的作用。一旦触发,不管EG是否存在,晶闸管仍将导通。
导通时,晶闸管的正向压降一般在0.6~1.2V左右值得注意的是,如果由于外电路负载电阻的增大或电源电压EA的减小,使阳极电流减小到某一值IH以下,T1和T2晶体管就会不饱和,即T1和T2晶体管的集电极-发射极压降会增大,从而使阳极电流进一步减小,形成正反馈。最后,T1和T2晶体管被关断,即晶闸管被阻断。因此,IH被称为保持电流。如果导通的晶闸管施加的电压下降到零或切断电源,阳极电流下降到零,晶闸管自动阻断。
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用于功率变换和控制。根据其功能,有以下几种类型:
(1)可控整流
利用晶闸管单向导通的可控性,将交流电整流成电压可调的直流电。这种可调DC电源广泛应用于电解、电镀、充电、励磁、开关操作电源等领域。这个的另一个主要用途是制造DC驱动的调速装置。在过去,电动发电机转换器单元通常用于为需要速度调节或高制动性能以实现控制要求的牵引设备获得可控的DC电压。晶闸管问世后,静态可控整流器以一系列优点取代了机组,可以获得更好的静态和动态指标。目前,在海洋石油钻井平台上,中小型辅机的电机到DC电机都采用晶闸管供电或励磁调速装置。
(2)变频器和变频效益
根据晶闸管的特性,将合适的电流转换成交流电的过程称为逆变,将某一频率的交流电转换成其他各种引线的交流电的过程称为变频。整流、逆变、变频经常组合或一起使用。电流和电压经过这些转换。常制成中频(400-8000Hz)加热电源,用于熔化、透热、淬火和焊接。目前比较经济的远距离高压DC输电是将交流电整流成DC输电,再将DC逆变成交流电供人使用。另一个应用是交流电机的调速,如海洋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。这是目前的技术发展方向, 国外交流调节和驱动装置发展很快。