晶闸管可控整流技术

晶闸管是一种可以控制电路中电流通断的电力电子器件，在电路中可实现整流、逆变、变频、斩波等功能。

1.晶闸管的结构和符号

晶闸管是由硅半导体材料做成的，内部由四层（PNPN）半导体组成，对外引出三个端子（A、G、K），即外部的P层和N层分别引出阳极A和阴极K，由中间的P层引出门极G，如图1-1a所示。晶闸管的文字符号是VT，图形符号如图1-1b所示。

2.晶闸管的特性

经试验分析可知晶闸管具有如下特性：

1）不仅具有反向阻断能力，同时还有正向阻断能力。

2）正向导通的条件是：阳极加正向偏置电压，同时门极加正向触发电压。

3）晶闸管一旦导通，门极就失去了控制作用。

图1-1 晶闸管的结构和符号

a）结构 b）符号

4）晶闸管要重新关断，必须设法使其阳极电流减小到低于维持晶闸管持续导通的电流。常用的方法是降低阳极电压或给阳极加反向电压。

晶闸管的上述特性可以用其伏安特性曲线来描述，如图1-2所示。

图1-2 晶闸管的伏安特性曲线

（1）正向特性

1）I_G=0时，当阳极正向电压小于某一数值范围时，阳极电流（即正向漏电流）很小，晶闸管处于正向阻断状态；当正向电压超过某一个值时，正向漏电流急剧加大，晶闸管导通，此时的阳极电压叫做正向转折电压U_BO，晶闸管的这种开通方式叫做晶闸管硬开通，正常情况下是不允许的。

2）I_G＞0时，晶闸管仍有一定的正向阻断能力，但使它由正向阻断状态转为正向导通状态所需的阳极电压比U_BO要低得多，且I_G越大，所需的阳极电压越低；即只要晶闸管的阳极加上适当的正向电压，再在门极上加上适当的触发电压，晶闸管就可以触发导通，这就是晶闸管具有的可控导通特性。

（2）反向特性 晶闸管的反向特性与二极管相似，也有反向阻断区和反向击穿区。晶闸管一旦击穿就永久损坏。

3.晶闸管的参数和型号

（1）晶闸管的参数

1）正向断态重复峰值电压U_DRM：是指在额定结温、门极断路和晶闸管正向阻断的情况下，允许重复加在晶闸管上的最大正向峰值电压，一般取值比U_BO低100V。

2）反向重复峰值电压U_RRM：是指在额定结温和门极断路的情况下，允许重复加在晶闸管上的反向峰值电压，一般取值比反向击穿电压U_BR低100V。通常U_DRM和U_RRM大致相等，习惯称为峰值电压。

3）通态平均电流I_T（AV）：在环境温度不超过40℃和规定的散热条件下，允许流过的工频正弦半波电流在一个周期内的平均值，简称为正向电流。当在一个周期内晶闸管导通的电角度小于180°时，允许流过的电流必须降低。

4）通态（峰值）电压U_T：是指晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。通常取晶闸管的U_DRM和U_RRM中较小的标值作为器件的通态峰值电压。

5）维持电流I_H：是指在规定的环境温度和门极断路的情况下，维持晶闸管持续导通的最小阳极电流；它是晶闸管由导通到关断的临界电流。

（2）晶闸管的型号 KP系列普通晶闸管的型号及含义如下：

例如：型号为KP100—8F的晶闸管表示额定电流为100A、额定电压为800V、正向导通压降组别为F的普通晶闸管。

4.晶闸管可控整流电路

晶闸管可控整流电路的作用是把交流电变换成大小可调的直流电，这是通过改变可控整流电路中晶闸管的触发延迟角α来实现的。触发延迟角增大，输出电压的平均值减小，反之则升高。

晶闸管可控整流电路有单相和三相两种，单相可控整流电路又有单相半波整流电路、单相全波整流电路、单相半控桥式整流电路几种，三相可控整流电路又分为三相半波可控整流电路和三相桥式全控整流电路。下面分别以单相半控桥式整流电路和三相半波可控整流电路说明其工作原理。

图1-3 单相半控桥式整流电路

a）电路 b）波形

（1）单相半控桥式整流电路

1）电路组成：如图1-3a所示，该电路主要由整流变压器、晶闸管、二极管和负载电阻等组成。电路中晶闸管VT1和VT2的阴极接在一起，代替了二极管桥式整流电路中对应的两个二极管，触发脉冲同时加到两个晶闸管的门极和阴极之间，根据晶闸管的导通条件可以分析电路的功能和电路中晶闸管和二极管的导通情况。

2）工作原理：通过分析加到晶闸管两端的电压和触发脉冲的瞬时极性，判断晶闸管的导通情况，从而得到负载上的电压波形，进而得出输出电压的数值关系并依此选用晶闸管。具体分析过程如下：

在电源电压u₂的正半周，VT1、VD2承受正向电压，t₁时刻加入正的触发脉冲u_G，VT1被触发导通，电流回路为：a→VT1→R_L→VD2→b，此时VT2和VD1因承受反向电压而关断，负载上得到的电压等于电源电压u₂；当u₂接近零时，VT1因正向电流小于维持电流而关断。

在电源电压u₂的负半周，VT2和VD1承受正向电压，t₂时刻随着正触发脉冲的加入，VT2被触发导通，电流回路为：b→VT2→R_L→VD1→a，此时VT1和VD2因承受反向电压而关断，负载上得到的为和u₂反向的电压。当u₂接近零时，VT2因正向电流小于维持电流而关断。

如此周而复始，负载上得到的电压波形如图1-3b所示。

我们把从晶闸管承受正向阳极电压开始到加入正的门极触发电压使其开始导通之间的电角度称为触发延迟角，用α表示。晶闸管在一个周期内导通的电角度叫做导通角，用θ表示。将触发延迟角α变化的范围称为移相范围。通过改变触发延迟角α的大小，就可改变输出电压的大小。

由上述分析可知，单相半控桥式整流电路输出电压的大小与触发延迟角α有关，输出电压的平均值为

输出电流的平均值为

I_L=U_L/R_L （1-2）

式中 U₂——交流电源电压的有效值（V）；

α——触发延迟角（°）；

R_L——负载电阻（Ω）；

U_L——输出电压的平均值（V）；

I_L——输出电流的平均值（A）。

每只晶闸管承受的最高反向峰值电压为，每只晶闸管的平均电流为负载平均电流的1/2。

例1-1 如图1-3所示，最大输出电压是110V，输出电流是50A，求：交流电源电压的有效值U₂；当α=60°时，输出电压的平均值是多少？

解当α=0°时电路有最大输出电压，由式（1-1）可得

当α=60°时，有

（2）三相半波可控整流电路

1）工作原理：如图1-4所示，当触发延迟角α=0°时，输出电压的平均值最大，晶闸管相当于普通整流二极管；当0°＜α≤30°时，输出电压的波形是连续的；当30°＜α≤150°时，输出电压的波形是不连续的。该电路实际上触发延迟角的调节范围是较小的，移相范围为150°；当α＜0°时，输出电压将造成断相运行，这是不允许的。

图1-4 三相半波可控整流电路

a）电路 b）波形(www.xing528.com)

2）电路的输出电压和电流：当0°＜α≤30°时，输出电压的平均值为U_L=1.17U₂cosα；当30°＜α≤150°时，输出电压的平均值为U_L=0.68U₂[1+cos（α+30°）]。流过每个晶闸管的平均电流是负载平均电流的1/3。

需要说明的是，对三相电源而言，三相半波可控整流电路比单相可控整流电路平衡，输出电压的脉动程度小。主电路由电网直接供电，由于各相中有较大的直流成分，会使变压器的铁心磁化、变压器的效率降低；可以采用三相半控桥式整流电路和三相桥式整流电路来改善此性能。如果要求输出的电流较大，可以采用六相半波整流电路。

（3）负载类型对晶闸管的影响

1）电感性负载的影响：当负载为电感性负载时，由于流过电感的电流发生变化，电感中产生感应电动势，它使得负载电流的变化滞后于电压的变化；当交流电压过零点时晶闸管本应关断，但由于这时的电流仍大于维持电流，使得晶闸管在电源电压过零点时不能自行关断。为了解决这一问题，需要在负载两端反向并联一个二极管（称为续流二极管），如图1-5所示。在负载两端并上续流二极管之后，当u₂过零变负时，电感性负载产生的电动势通过续流二极管导通构成负载电流的回路。

图1-5 电感性负载电路

2）反电动势负载的影响：反电动势负载对晶闸管整流输出电压的影响如图1-6所示。该电路中，只有当u₂电压大于反电动势时，晶闸管才能导通，形成电流输出。其他时间负载电流为零，晶闸管断开。可见，反电动势负载使得晶闸管的导通角减小，负载电流的平均值也减小。因此，在实际应用电路中，为了扩大移相范围，一般在反电动势负载电路中串联滤波电抗器，使负载呈电感性，同时并上续流二极管，使得电路的工作情况同电阻负载时一样。

图1-6 反电动势负载电路

a）电路 b）波形

5.晶闸管触发电路

晶闸管触发电路是指能为晶闸管提供触发信号的电路。

（1）对触发信号的要求 晶闸管对触发信号的要求是：触发脉冲的上升沿要陡；要有足够的功率和一定的宽度、幅度；必须和晶闸管的阳极电源同步；触发脉冲要有一定的移相范围。

（2）触发脉冲的输出方式 触发脉冲有直接输出和变压器输出两种输出方式。

1）直接输出：触发电路与晶闸管的门极直接连接称为直接输出。它的优点是：效率较高，对脉冲信号前沿的陡度影响较小，电路简单，成本低；缺点是：触发电路与主电路有电的联系，在要求触发电路与主电路隔离的场合不能使用，适用于触发少量晶闸管而且触发电路与主电路绝缘的场合。

2）变压器输出：它的优点是触发电路与主电路之间实现了电气隔离；缺点是脉冲变压器要消耗一部分触发脉冲功率，使输出脉冲的幅度和前沿受损。

（3）单结晶体管触发电路常用的触发电路为单结晶体管触发电路。单结晶体管又称为双基极二极管，它有一个发射极（E）和两个基极（B1、B2），如图1-7a所示。单结晶体管具有负阻特性，在基极电源电压一定的条件下，发射极电流I_E和发射极与第一基极B1间的电压U_E之间的特性曲线如图1-7c所示。

由特性曲线可以得出以下结论：

1）发射极电压U_E小于峰点电压U_P时，单结晶体管截止，只有很小的发射极电流。

2）发射极电压U_E等于峰点电压U_P时，单结晶体管导通，导通后U_E随I_E的增大而降低，呈现负阻特性。

3）当U_E下降到最低点（即谷点）以后，U_E随着I_E的增加而缓慢上升，进入饱和状态。

图1-7 单结晶体管触发电路

a）图形符号 b）电路 c）特性曲线

4）U_E＜U_V（谷点电压）时，单结晶体管重新变为截止。

不同的单结晶体管有不同的U_P、U_V值。利用单结晶体管的上述特性和电阻电容的充放电现象可以构成如图1-8所示的电路。

图1-8 单结晶体管触发电路

a）电路 b）波形

单结晶体管触发电路由同步电路、整流电路、削波电路、RC充放电电路、脉冲输出电路构成。同步电路由同步变压器TS完成，其作用是使触发脉冲与主电路同步，并向触发电路提供一个低电压u₂，经桥式整流电路整流后变成脉动的直流电。脉动的直流电经削波电路削顶之后得到一个梯形波电压U_Z，作为单结晶体管触发电路的电源电压。U_Z经R和RP对电容C充电，当U_C上升到大于单结晶体管的峰点电压时，单结晶体管导通，电容C通过E和B1放电，在R₁上形成的触发脉冲电压加到主电路中两个晶闸管的门极，使处于承受正向电压的晶闸管导通。电容C放电后，U_C下降，当低于谷点电压时，单结晶体管截止，输出的触发脉冲为零。通过改变RP的阻值可改变电容C充放电速度的快慢，即改变了加在晶闸管门极上第一个触发脉冲的时刻（也就是改变了触发延迟角α），从而达到触发脉冲移相的目的，控制了主电路输出电压的大小。

电路中因触发电路电源电压和主电路电源电压同时过零，因此它保证了触发电路产生的脉冲电压都在同一时刻出现，即保证了触发电压和交流电源电压同步，实现了输出电压的稳定。

（4）晶体管触发电路 采用脉冲变压器输出的晶体管触发电路，如图1-9所示。电路中同步电源电压u₂对C₁充电，C₁对R₁和L放电的结果是在C₁两端获得锯齿波电压U_C1。U_K为加在V输入回路中的直流控制电压，U_C1和U_K叠加后加在V的基极和发射极之间。当U_C1＞|U_K|时，V截止；当U_C1＜|U_K|时，V导通。当V由截止变为导通时，脉冲变压器的二次侧便产生脉冲输出电压。改变控制电压U_K的大小就可以改变V的截止和导通的时刻，即达到了移相的目的。

图1-9 晶体管触发电路

（5）集成触发电路 晶闸管集成触发电路种类较多，如KC系列、TC系列等集成触发器。集成触发器可用于单相电源或三相电源的晶闸管移相触发电路和脉宽调制电路中，以构成调压、调功等变流装置。与KC系列电路相比，TC系列集成触发器具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元器件少等优点。下面以TC782为例介绍其应用电路。

TC782集成电路的内部由过零和极性检测、锯齿波形成、锯齿波比较，经过抗干扰锁定、脉冲形成等电路组成。由TC782构成的小功率晶闸管应用电路如图1-10所示。

图1-10 由TC782构成的小功率晶闸管应用电路

该电路为交流调压电路。电路中由R₁、VD1、VS、C₃构成简单的整流滤波稳压电路，为触发集成电路和脉冲输出电路提供直流电源。同步信号经分压电阻R₂、R₃分压后进入TC782的14脚，通过内部过零检测和极性判别电路检测出零点和极性，在电容C₁上积分形成锯齿波，锯齿波的大小与电容C₁的容量成反比，12脚上接大阻值电阻可微调锯齿波。锯齿波与移相电压在集成电路内部的比较器中比较，取得相交点即为移相角，移相电压由1脚通过电位器或外电路调节取得。调节RP1，增加移相电压，输出导通角减小，输出电压也就降低。脉冲形成电路是由内部的脉冲发生器给出调制脉冲列，这个脉冲列的宽度就是调制脉冲（或方波）的宽度，改变电容C₂的容量可改变调制频率，从而改变调制脉冲（或方波）的宽度。输出采用调制脉冲（或方波）可通过TC782的管脚来选择，2脚低电平输出为方波，脉冲输出可以从7脚、8脚或9脚引出，9脚输出为同步正负半周输出脉冲，经晶体管V1驱动触发双向晶闸管V2导通；从而使R_L上得到输出可变的交流电压。

6.晶闸管的保护

（1）过电流保护 当流过晶闸管的电流超过其额定通态平均电流时称为过电流。为了保证晶闸管在过电流时能迅速切断过电流，从而保护晶闸管故设置了过电流保护。

常用的过电流保护措施有灵敏过电流继电器保护、直流快速断路器保护和快速熔断器保护，其中多采用快速熔断器保护。快速熔断器在电路中的接入方式有三种：接在直流侧、接在交流侧以及与晶闸管串联，如图1-11所示。需要注意的是，快速熔断器的标称是以电流有效值标识的，晶闸管额定通态平均电流的1.57倍可作为选择快速熔断器熔体电流的依据。例如额定通态平均电流为10A的晶闸管，必须选择熔体电流为15A的快速熔断器对它进行过电流保护。

图1-11 过电流保护电路

（2）过电压保护 当加在晶闸管两端的电压超过其额定电压时，称为过电压。常用的过电压保护措施有阻容保护和金属氧化物压敏电阻（简称压敏电阻）保护两种。阻容保护是通过串联的RC阻容吸收回路来实现的。图1-12所示电路是分别在直流侧、交流侧和晶闸管两端加阻容吸收回路的接法。压敏电阻保护主要是利用其独有的电压电流特性来抑制过电压。图1-13所示为压敏电阻的几种接法。

图1-12 阻容保护电路

图1-13 压敏电阻保护电路

7.晶闸管的选择和检测

（1）晶闸管的选择

1）晶闸管电压等级的选择，可按下面的经验公式进行估算：

U_RRM≥（1.5～2）U_RM

式中 U_RM——晶闸管在工作中可能承受的反向峰值电压（V）。

2）晶闸管电流等级的选择，一般按电路最大工作电流来选择

I_TAV≥（1.5～2）I_LM

式中 I_LM——电路最大工作电流（A）。

（2）晶闸管的检测 判别晶闸管的好坏和对应电极的依据是利用其内部结构和特性，使用万用表的电阻挡来进行判别。

1）晶闸管电极的判别。将万用表置于R×10或R×1k电阻挡，首先测量任意两个电极之间的电阻，如果测量出的两电极间的电阻较小，则该两个电极为门极和阴极。测试阻值较小时黑表笔对应的是门极，红表笔对应的是阴极。

2）晶闸管好坏的判别。可通过测量其各个电极之间的电阻来判别。正常情况下，用万用表的R×1k挡，测量阳极和阴极的正反向电阻、门极和阳极之间的正反向电阻，其值均应在几百千欧以上；万用表置于R×10电阻挡时，门极和阴极间的电阻应有较大差异，否则管子是坏的。