晶閘管在調(diào)壓技術(shù)中的應(yīng)用

劉曉青,劉 偉

(周口師范學(xué)院物理與電子工程系,河南周口466001)

電力電子器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ),也是電力電子技術(shù)發(fā)展的動力,電力電子技術(shù)的每一次飛躍都是以新器件的出現(xiàn)為契機(jī)的。1957年美國通用電氣公司發(fā)明了普通反向阻斷型可控硅,即晶閘管,它標(biāo)志著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的誕生。晶閘管只能通過門極電壓控制其開通,不能控制其關(guān)斷,使得它的應(yīng)用受到一定的限制。但經(jīng)過工藝完善和應(yīng)用開發(fā),到20世紀(jì)70年代,晶閘管已形成了從低壓小電流到高壓大電流的系列產(chǎn)品,以晶閘管為主要器件的電力電子技術(shù)很快在電化學(xué)工業(yè)、鐵道電氣機(jī)車、鋼鐵工業(yè)、電力工業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[1]。本文主要論述晶閘管的工作原理以及如何采用晶閘管進(jìn)行調(diào)壓。

1 晶閘管的工作原理

晶閘管是主要的電力電子器件,采用的主要材料仍然是硅,而電力電子器件目前往往專指電力半導(dǎo)體器件。同處理信息的電子器件相比,像晶閘管這樣的電力電子器件的主要特征是:其一般都工作在開關(guān)狀態(tài),在作電路分析時,可抽象為理想開關(guān)[2]。而晶閘管又是一種可控的開關(guān),其可控性是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。

晶閘管由四層半導(dǎo)體組成,形成三個PN結(jié),其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及等效電路如圖1所示。要使晶閘管導(dǎo)通,必須同時滿足兩個條件:陽極承受正向電壓;門極有觸發(fā)電流,二者缺一不可。與普通二極管不同的是,如果晶閘管只承受正向陽極電壓,而無觸發(fā)電流,晶閘管仍然不能導(dǎo)通,即晶閘管具有正向阻斷能力。晶閘管一旦導(dǎo)通,門極就失去控制作用,不論門極觸發(fā)電流是否仍然存在,晶閘管都保持導(dǎo)通。而要使導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷,只能在陽極主回路采取措施:要么使陽極電壓為零,要么使晶閘管承受反向電壓,要么使流過晶閘管的電流小于維持電流。

圖1 晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路

2 晶閘管調(diào)壓技術(shù)

晶閘管的門極控制特性使得可以采用晶閘管方便地進(jìn)行調(diào)壓,常用的晶閘管調(diào)壓電路有整流電路和交流調(diào)壓電路。

2.1 晶閘管整流電路

整流電路是出現(xiàn)最早的電力電子電路,按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種;按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和半波電路;按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路。另外,當(dāng)它們所連接的負(fù)載性質(zhì)不同時也會有不同的工作特點。本文僅以單相半波晶閘管相控整流電路帶電阻性負(fù)載為例進(jìn)行分析。其電路如圖2所示。

圖2 單相半波相控整流電路

當(dāng)滿足條件使晶閘管導(dǎo)通時,由于晶閘管相當(dāng)于理想開關(guān),負(fù)載上輸出電壓便完全由輸入電源電壓u2決定。當(dāng)晶閘管關(guān)斷時,由于晶閘管呈現(xiàn)高阻態(tài),負(fù)載上輸出電壓便為零。如果定義從晶閘管開始承受正向陽極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度為觸發(fā)角或控制角,用α表示。定義晶閘管在一個電源周期中處于通態(tài)的電角度為導(dǎo)通角,用θ表示,則其工作過程可由波形圖表示為圖3。

圖3 單相半波相控整流電路整流電壓波形圖

由波形圖結(jié)合電路知識可得,整流輸出電壓平均值

這樣,只要控制對晶閘管施加脈沖的時刻,即控制觸發(fā)角α的大小,即可調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。由式(1)可以看出,當(dāng)控制角α增大時,輸出電壓 ud減小;當(dāng)控制角α減小時,輸出電壓 ud增大,從而控制輸出電壓ud在0到0.45U2之間變化。因此,只要調(diào)節(jié)控制角α便可以得到所需的合適大小的電壓。

可以看出,采用晶閘管單相半波整流電路進(jìn)行調(diào)壓的線路簡單、便于控制,但同時這種電路也存在一定的不足,比如輸出電壓脈動大、變壓器容量不能充分利用等。因此該電路一般只適用于小容量、波形要求不高的場合。在其他場合,根據(jù)不同的要求可以采用橋式電路,如果要求容量較大,還可以采用三相甚至多相晶閘管整流電路。

2.2 晶閘管交流調(diào)壓電路

通過控制晶閘管在每一個電源周期內(nèi)導(dǎo)通角的大小,即通過相位控制來調(diào)節(jié)輸出電壓的大小,即可實現(xiàn)交流調(diào)壓。交流調(diào)壓電路的電路結(jié)構(gòu)有單相電壓控制器和三相電壓控制器兩種。單相電壓控制器常用于小功率單相電動機(jī)控制、照明和電加熱控制;三相交流電壓控制器通常用于異步電動機(jī)的變壓調(diào)速,或作為異步電動機(jī)的啟動器使用。本文仍以單相交流調(diào)壓電路為例,分不同的負(fù)載情況進(jìn)行分析討論。

電阻負(fù)載時調(diào)壓電路如圖4所示,則其工作過程可由波形圖表示,見圖5。

晶閘管的導(dǎo)通角只與控制角α有關(guān),在電源的正半周和負(fù)半周,分別對兩個晶閘管的控制角進(jìn)行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。正負(fù)半周α起始時刻(a=0)均為電壓過零時刻,穩(wěn)態(tài)時,正負(fù)半周的α相等。觸發(fā)脈沖除要保證與電源同步外,其寬度也要保證晶閘管能充分導(dǎo)通[3]。

此時負(fù)載端輸出電壓有效值

阻感負(fù)載時調(diào)壓電路如圖6所示,由于電感阻礙電流的變化,晶閘管不能立即關(guān)斷,導(dǎo)電時間延長。因此,晶閘管的導(dǎo)通角不但與控制角α有關(guān),還與負(fù)載的阻抗角φ有關(guān)。

為保證單相交流調(diào)壓電路在阻感負(fù)載時能正常工作,控制角的范圍應(yīng)為φ≤α≤π,此時可以通過控制角的改變進(jìn)行正常交流調(diào)壓。輸出電壓波形如圖7所示,輸出電壓有效值

晶閘管交流調(diào)壓電路是用來變換交流電壓幅值或有效值的電路,它廣泛應(yīng)用于電爐的溫度控制、燈光調(diào)節(jié)、異步電動機(jī)軟啟動和調(diào)速等場合,也可以用作調(diào)節(jié)整流變壓器一次電壓。晶閘管交流調(diào)壓電路操作簡便、經(jīng)濟(jì)耐用、安全可靠。因此,很有推廣使用價值。

3 結(jié)論

總之,自從晶閘管問世后,由于其體積小、重量輕、效率高、費用低等優(yōu)點,現(xiàn)今大量采用晶閘管組成可控的調(diào)壓電路來提供負(fù)載所需的各種電源。用晶閘管進(jìn)行調(diào)壓可采用過零調(diào)壓和移相調(diào)壓,過零調(diào)壓得到的電壓波動較大[4]。而本文所論述的移相調(diào)壓,由于電壓變化均勻,可使負(fù)載穩(wěn)定工作,且成本較低,是一種經(jīng)濟(jì)實用的調(diào)壓方式。

[1]王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001:4-16.

[2]浣喜明,姚為正.電力電子技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2004:20-29.

[3]白雪峰,李沛.單相交流調(diào)壓電路實驗裝置的研制[J].實驗技術(shù)與管理,2006,10(1):54-57.

[4]劉偉,李健.現(xiàn)代電力電子器件的現(xiàn)狀與發(fā)展淺析[J].周口師范學(xué)院學(xué)報,2007,24(2):46-49.