晶闸管与可控整流电路

（1）晶闸管

1）晶闸管的概念。晶闸管（Thyristor）又称晶体闸流管，曾用名为可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier，SCR），是一种既具有开关作用又具有整流作用的大功率半导体器件。它的出现开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。近年来又开始被性能更好的全控型器件所取代，但由于它所能承受的电压和电流容量在目前电力电子器件中是最高的，而且工作可靠，因此在大容量的场合仍具有重要地位。晶闸管包括普通晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管等多种类型的派生器件，但习惯上往往把晶闸管专指为普通晶闸管。

晶闸管具有三个PN结的四层结构，其外形、结构和图形符号如图5-28所示。由最外的P₁层和N₂层引出两个电极，分别为阳极A和阴极K，由中间P₂层引出的电极是门极G（也称控制极），三个PN结称为J₁、J₂、J₃。

与功率二极管类似，常用的晶闸管有螺栓式和平板式两种外形，如图5-27a所示。晶闸管在工作过程中会因损耗而发热，因此必须安装散热器。螺栓型晶闸管是靠阳极（螺栓）拧紧在铝制散热器上，可采用自然冷却或风冷却方式。额定电流大于200A的晶闸管一般采用平板式外形结构，由两个相互绝缘的散热器夹紧晶闸管，可以采用风冷却、通水冷却、通油冷却等多种冷却方式。

2）晶闸管的导通和关断条件。晶闸管的导通和关断条件可由图5-29所示的实验得出。

图5-28 晶闸管的外形、结构和图形符号

a）外形 b）结构 c）电气图形符号

①晶闸管导通条件。通过实验可知，要使晶闸管导通必须同时具备两个条件：

a）晶闸管A、K两端加正向电压。

b）晶闸管控制极有正向控制电流。

②晶闸管关断条件。晶闸管一旦导通，控制极失去作用，要使晶闸管关断必须具备两个条件中的任一条件：

a）晶闸管A、K两端加反向电压。

b）使流过晶闸管的电流降低至维持电流以下（一般通过减小E_A，直至E_A＜0）。

3）晶闸管的工作原理。为了说明晶闸管的工作原理，可把晶闸管看成是由一个PNP型和一个NPN型晶体管连接而成，如图5-30所示。阳极A相当于PNP型晶体管V₁的发射极，阴极K相当于NPN型晶体管V₂的发射极。

图5-29 晶闸管导通和关断的实验电路

图5-30 晶闸管工作原理示意图

当晶闸管阳极承受正向电压，控制极也加正向电压时，晶体管V₂处于正向偏置，E_G产生的控制极电流I_G就是V₂的基极电流I_B2，V₂的集电极电流I_C2=β₂I_G。而I_C2又是晶体管V₁的基极电流，V₁的集电极电流I_C1=β₁I_C2=β₁β₂I_G（β₁和β₂分别是V₁和V₂的电流放大系数）。电流I_C1又流入V₂的基极，再一次放大；……如此循环下去，形成了强烈的正反馈，使两个晶体管很快达到饱和导通，这就晶闸管的导通过程。开通后，晶闸管上的压降很小，电源电压几乎全部加在负载上，晶闸管中流过的电流即负载电流。

在晶闸管导通之后，它的导通状态完全依靠管子本身的正反馈作用来维持，即使控制极电流消失，晶闸管仍将处于导通状态。因此，控制极的作用仅是触发晶闸管使其导通。导通之后，控制极就失去了控制作用。要想关断晶闸管，最根本的方法就是必须将阳极电流减小到使之不能维持正反馈的程度，也就是将晶闸管的阳极电流减小到小于维持电流。可采用的方法有：将阳极电源断开；改变晶闸管的阳极电压的方向，即在阳极和阴极间加反向电压。

4）晶闸管的静态伏安特性。晶闸管阳极与阴极间的电压U_AK和阳极电流I_A的关系称为晶闸管伏安特性，如图5-31所示。晶闸管的伏安特性包括正向特性（第Ⅰ象限）和反向特性（第Ⅲ象限）两部分。

图5-31 晶闸管的静态伏安特性

晶闸管的正向特性又有阻断状态和导通状态之分。在正向阻断状态时，晶闸管的伏安特性是一组随门极电流I_G的增加而不同的曲线簇。当I_G=0时，逐渐增大阳极电压U_AK，只有很小的正向漏电流，晶闸管正向阻断；随着阳极电压的增加，当达到正向转折电压U_bo时，漏电流突然剧增，晶闸管由正向阻断状态突变为正向导通状态。这种在I_G=0时，依靠增大阳极电压而强迫晶闸管导通的方式称为“硬开通”。“硬开通”使电路工作于非控制状态，并可能导致晶闸管损坏，因此需要加以避免。

随着门极电流I_G的增大，晶闸管的正向转折电压U_bo迅速下降；当I_G足够大时，晶闸管的正向转折电压很小，可以看成与一般二极管一样，只要加上正向阳极电压，管子就导通了。此时晶闸管正向导通的伏安特性与二极管的正向特性相似，即当流过较大的阳极电流时，晶闸管的压降很小。

晶闸管正向导通后，要使晶闸管恢复阻断，只有逐步减小阳极电流I_A，使I_A降到小于维持电流I_H，否则晶闸管又由正向导通状态变为正向阻断状态。

晶闸管的反向特性与一般二极管的反向特性相似。在正常情况下，当承受反向阳极电压时，晶闸管总是处于阻断状态，只有很小的反向端电流流过。当反向电压增加到一定值时，反向漏电流增加较快，再继续增大反向阳极电压会导致晶闸管反向击穿，造成晶闸管永久性损坏，这时对应的电压称为反向击穿电压U_RO。

综上所述，晶闸管的基本特点可以归纳如下：

1）承受反向电压时（U_AK＜0），不论门极有无触发电流，晶闸管都不导通，反向伏安特性类似于二极管。

2）承受正向电压时，只有门极有正向触发电流的情况下晶闸管才能导通（即U_AK＞0时，I_G＞0才能导通）。可以看出，晶闸管是一种电流控制型器件，导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿，正压降在1V左右；晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。

3）要使晶闸管关断，必须使晶闸管的电流下降到某一数值以下（I_A＜I_H）。

4）晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极流出；为保证可靠、安全地触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在可靠触发区，既保证有足够的触发功率，又确保不损坏门极和阴极之间的PN结。

（2）晶闸管组成的几种常用可控整流电路

1）单相桥式全控整流电路

①带电阻负载。单桥式全控整流电路及带电阻负载的工作波形如图5-32所示，晶闸管VT₁和VT₄、VT₂和VT₃分别成组工作，把晶闸管近似视为理想的开关，即忽略其开关时间、器件的导通压降、器件关断时的漏电流，其电路的稳态工作过程分析如下：

图5-32 带电阻负载时的全控整流桥及波形

a）在0～ωt₁时段。交流电源u₂＞0（即图中a点电位高于b点电位），晶闸管VT₁和VT₄承受正向电压，晶闸管VT₂和VT₃承受反向电压，但此时四个晶闸管上均不施加触发信号，四个晶闸管都不导通，负载电流、电压均为零。一组管子串联起来承受电源电压，假设各个晶闸管的参数都相同，则VT₁和VT₄串联各承受一半电源电压，即u_VT1=u_VT4=u_ab/2＞0，如图5-31f所示；VT₂和VT₃串联各承受一半电源电压，u_VT2=u_VT3=u_ba/2＜0，图中未画出。

b）ωt₁～π时段。在ωt₁时刻，VT₁和VT₄承受正压，VT₂和VT₃承受反压，设在ωt₁时刻给VT₁和VT₄同时送上触发信号，则VT₁和VT₄导通，电源电压加在了负载上，负载电压u_d=u_ab。电流从电源a端经VT₁、负载电阻R和VT₄、回到电源b端。到π时刻，u₂为零，负载电流也降为零，流过晶闸管的电流也降为零，晶闸管VT₁和VT₄关断，输出电压为零。

c）π～ωt₂时段。进入电源电压的负半周，b点电位高于a点电位，VT₁和VT₄承受反向电压，VT₂和VT₃承受正向电压，但此时没有触发信号，四个晶闸管均关断，输出电压、电流为零。与前述类似，一组管子串联起来均分电源电压。

d）ωt₂～2π时段。为使电源负半周输出电压与正半周相同，在交流电源进入负半周的a时刻（即ωt₂时刻）给VT₂和VT₃同时送上触发信号，则VT₂和VT₃导通，把负的电源电压倒相后加在负载上，负载上得到与正半周相同的电压和电流。电流从电源b端经VT₃、负载电阻R和VT₂，回到电源a端，直到电源电压再次为零，VT₂和VT₃关断，完成一个周期交流到直流的变换。在电源的下一个周期，电路重复前面的过程，负载得到一系列脉动的直流电压。(www.xing528.com)

从上面的分析可以看出，由于在交流电源的正、负半周都有整流输出电流流过负载，在u₂一个周期里，变压器二次绕组正、负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，变压器不存在直流磁化的问题，变压器绕组的利用率也较高。从图5-31中可以看到，改变晶闸管触发导通的时刻（即改变α的大小）输出电压u_d也随之发生变化。晶闸管承受的最大反向电压为交流电压的峰值，即，晶闸管承受的最大正向电压为交流电压峰值的一半，即。带电阻负载整流电压平均值为（式中，U_2rms表示变压器二次电压的有效值）。

结合以上分析，可给定晶闸管可控整流电路的以下几个重要名词术语：

·触发延迟角α：从晶闸管自然换流点开始到施加触发脉冲时刻所对应的电角度叫作触发延迟角，也叫控制角，用α表示。

·导通角θ：晶闸管在一个交流电源周期内导通时间所对应的电角度叫作导通角，也叫导电角，用θ表示。上述电路中，θ=π-α。

·移相：改变触发脉冲出现的时刻，即改变α的大小，叫作移相。改变α的大小，也就控制了整流电路输出电压的大小，这种方式也叫作“相控”。

·移相范围：改变α使输出整流电压平均值从最大值降到最小值（零或负最大值），α的变化范围叫作移相范围。上述电路中，α的移相范围为180°。

·同步：为了使整流电路输出电压波形呈周期性地重复，触发脉冲与整流电路的交流电压在频率和相位上必须保持某种固定的协调关系（即必须同时满足晶闸管导通的两个条件），这种关系就叫作同步。触发脉冲与交流电源电压保持同步是可控整流电路正常工作必不可少的条件。

②带阻感负载。在实际生产中，纯电阻负载是不多的，很多负载既有电阻又有电感，例如各种电动机的激磁绕组、交流电源的电抗、整流装置的平波电抗器等。一般把负载中的感抗ωL与电阻R相比其值不可忽略时的负载叫作阻感负载。实际上纯电感负载是不存在的（因为构成电感的线圈其导线本身就存在电阻），若负载的感抗（一般认为ωL＞10R），电阻可以忽略不计，整个负载的性质主要呈感性，把这样的负载叫作大电感负载。

电感与电阻的性质完全不一样。由电路理论可知电感的特点：电感上的电流相位滞后电压相位；流过电感的电流不能发生突变，电感有抗拒电流变化的特性；电感产生感应电势的大小与电感中电流的变化率成正比，其极性是阻碍电流的变化；纯电感不消耗能量，但却可以储存能量，电感储存的能量与电感量的大小、电感中电流的大小成正比，为。了解电感的这些特性是理解整流电路带阻感负载工作情况的关键问题之一。

图5-33a所示的是单相桥式全控整流电路带阻感性负载电路图，为了分析方便，把阻感负载看成是一个纯电感和电阻的串联。阻感负载电感量的大小对电路的工作情况、输出电压、电流的波形影响很大。假定电感L很大，即为大电感负载状态，则由于电感的储能作用，负载i_d始终连续且电流近似为一直线。

可以看出，电路的自然换流点为正弦波u₂的过零点。假定电路的触发延迟角为α，晶闸管近似为理想开关，现在来分析其稳态工作过程。

a）在0～α时段。电路工作于稳态时具有周期性，该时段是VT₂、VT₃导通过程的延续。虽然此时段u₂＞0，但由于电感的续流作用，VT₂、VT₃仍维持导通，输出电压u_d=-u₂。

b）α～π时段。在α时刻VT₁、VT₄的触发脉冲出现，由于前面VT₂、VT₃的导通，使得晶闸管VT₁、VT₄承受正向电压，即，因此VT₁、VT₄满足导通条件，输出电流VT₂、VT₃向VT₁、VT₄转移，完成换流，输出电压u_d=u₂。

图5-33 带阻感负载时的全控整流桥及波形

c）π～π+α时段。虽然此时段u₂＜0，但由于电感的续流作用，VT₁、VT₄仍维持导通，输出电压u_d=u₂。

d）π+α～2π时段。在π+α时刻，VT₂、VT₃的触发脉冲出现，由于前面VT₁、VT₄的导通，使得晶闸管VT₂、VT₃承受正向电压，即，因此VT₂、VT₃满足导通条件，输出电流由VT₁、VT₄向VT₂、VT₃转移，完成换流，输出电压u_d=-u₂。

e）2π～2π+α时段。由于电路工作的周期性，该时段即为0～α时段，由于电感的续流作用，VT₂、VT₃仍维持导通，输出电压u_d=-u₂。

该电路完整的工作波形如图5-33所示。带大电感负载整流电压平均值为0.9U_2rmscosα。

③带反电动势负载。在生产实践中的晶闸管整流电路，除了电阻、电感性负载之外，还有一类具有反电动势性质的负载。比如：给蓄电池充电，带动直流电动机运转。这一类负载的共同特点是工作时会产生一个极性与电流方向相反的电动势，把这一类负载叫作反电动势负载。反电动势负载对整流电路的工作会产生影响。

反电势负载可看成是一个电势源与电阻的串联，电势源的极性与电流方向相反，电阻是电流回路的等效电阻（包括反电势和导线等的电阻），如图5-34所示。

图5-34 带反电势负载时的全控整流桥及波形

晶闸管整流电路带反电动势负载时，会使晶闸管导通角减小、电流断续，电流波形的底部变窄。而电流平均值是与电流波形的面积成比例的。要增大电流的平均值，必须增大电流的峰值，电流的有效值也随之大大增加。有效值的增大，使得器件发热量增加，交流电源的容量增加，功率因数降低。

如果反电动势负载是直流电动机，由图5-34b可以看出，要增大负载电流，必须增加电流波形的峰值，这要求大量降低电动机的反电势E，从而电动机的转速也要大量降低。这就使得电动机的机械特性很软，相当于整流电源的内阻增大。此外，较大的电流峰值还会使电动机换向容易产生火花，甚至造成环火短路。

为了克服以上缺点，一般在反电动势负载的直流回路中串联一个平波电抗器，如图5-35所示，用来抑制电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。有了平波电抗器，当u₂小于E时甚至u₂值变负时，晶闸管仍可导通。只要电感量足够大甚至能使电流连续，达到θ=180°。这时整流电压u_d的波形和负载电流i_d的波形与单相桥式全控整流电路带电感性负载电流连续时的波形相同，整流电压平均值的计算公式亦相同。当然如果电感量不够大，负载电流也可能不连续，但电流的脉动情况会得到改善。根据图5-35所示的负载电流临界连续的情况，可计算出保证负载电流连续所需的电感量。

图5-35 带反电势负载串平波电抗器时的全控整流桥及波形

a）单相桥式全控整流电路带反电势负载串平波电抗器电路 b）电流临界连续情况波形

2）三相桥式全控整流电路。在各种可控整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路。它可以看成是两组三相半波可控整流电路串联起来同时工作，这两组三相半波可控整流电路一组是共阴极接法，另一组是共阳极接法，其电路原理图如图5-36a所示。图中共阴极组的晶闸管分别编号为VT₁、VT₃、VT₅；共阳极组的晶闸管分别编号为VT₄、VT₆、VT₂。之所以这样编号，完全是为了便于分析电路。按照这样的编号，晶闸管是以VT₁→VT₂→VT₃→VT₄→VT₅→VT₆→VT₁…自然序号的顺序依次导通和关断的。

图5-36 三相桥式全控桥式整流电路

a）主电路 b）对触发脉冲的要求（对应于α=0°时）

三相桥式全控整流电路对触发脉冲有特殊的要求。由于三相桥式全控整流电路工作时必须有一个共阴极组的晶闸管和一个共阳极组的晶闸管同时导通才能形成电流通路，触发脉冲按照管子的编号依次间隔60°，即每60°有一个管子被触发导通，似乎按照编号每隔60°发出一个脉冲即可。但是，在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，所有的管子均不导通，这时每隔60°发出一个脉冲并不能保证相应的共阴、共阳两个管子同时触发导通。为确保电路的正常工作，需保证在任何时刻同时导通的两个晶闸管均得有触发脉冲。为此，可采用两种方法：一种方法是使脉冲宽度大于60°（一般取80°～100°），称为宽脉冲触发。另一种方法是，在触发某个晶闸管的同时，给序号前一号的晶闸管补发一个脉冲，即用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60°，脉宽一般为18°～36°，称为双脉冲触发。这两种方法都是在触发某个晶闸管的同时使与之配对导通的另一个晶闸管也有触发信号，以保证这两个管子不管在此之前是什么状态（导通或关断），都应该被触发导通。双脉冲电路较复杂，但要求的触发电路输出功率小。宽脉冲触发电路虽可少输出一半脉冲，但为了不使脉冲变压器饱和，需将铁心体积做得较大，绕组匝数较多，导致漏感增大，脉冲前沿不够陡，对于晶闸管的串、并联使用不利。虽可用去磁绕组改善这种情况，但又使触发电路复杂化。因此，常用的是双脉冲触发。三相桥式全控桥式整流电路α=0时的脉冲及工作波形如图5-36b、c所示。

图5-36 三相桥式全控桥式整流电路（续）

c）α=0°时的工作波形

同样，调节α角的大小，可得到三相桥式全控整流电路输出直流电压的平均值U_dav为：

1）α≤60°，输出电流连续，U_dav=2.34U_2rmscosα。

2）α＞60°，输出电流断续，。