淺析晶閘管額定參數(shù)選擇與驅(qū)動(dòng)電路

王逍遙

摘? 要：本文對(duì)普通單向晶閘管的電氣參數(shù)選型和驅(qū)動(dòng)電路問(wèn)題進(jìn)行了歸納和分析總結(jié)，對(duì)晶閘管額定電壓和額定電流的選擇原理進(jìn)行詳細(xì)描述。

關(guān)鍵詞：晶閘管;電氣參數(shù);選擇;驅(qū)動(dòng)電路;分析

晶閘管（Thyristor），名晶體閘流管（thyratron），又名可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier— SCR）。1956年晶閘管首先誕生在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室。1957年美國(guó)通用電氣公司開(kāi)發(fā)出首只晶閘管產(chǎn)品。1958年以后，逐漸實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。晶閘管的誕生使電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。晶閘管為三端器件，包括門(mén)極、陽(yáng)極和陰極，內(nèi)部為PNPN四層半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)，構(gòu)成具有電流正反饋?zhàn)饔玫腜NP與NPN共基極復(fù)合晶體三極管，因此門(mén)極只負(fù)責(zé)開(kāi)通晶閘管，不能用于關(guān)斷晶閘管，因而稱為半控器件。

一、晶閘管簡(jiǎn)紹

晶閘管的開(kāi)通條件可以總結(jié)為：①陽(yáng)極與陰極所在支路施加有足夠高的正向電壓;②門(mén)極通入合適的正驅(qū)動(dòng)電流。晶閘管的導(dǎo)通標(biāo)志為陽(yáng)極電流大于擎住電流。

晶閘管的關(guān)斷條件可以總結(jié)為：①陽(yáng)極與陰極所在支路施加有足夠高的反向電壓;②門(mén)極通入合適的負(fù)驅(qū)動(dòng)電流（對(duì)于門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO）。晶閘管的關(guān)斷標(biāo)志為陽(yáng)極電流低于維持電流。

晶閘管工作狀態(tài)包括：①正向?qū)▍^(qū)，晶閘管已經(jīng)進(jìn)入通態(tài);②負(fù)阻區(qū)，晶閘管正向電壓較高但是正向漏電流變低，電阻呈現(xiàn)負(fù)數(shù);③正向阻斷區(qū)，晶閘管正向施加電壓，正向漏電流有所增加;④反向阻斷區(qū)，晶閘管反向施加電壓，反向漏電流有所增加;⑤反向擊穿區(qū)，晶閘管反向施加電壓過(guò)大，反向電流劇增，進(jìn)入雪崩擊穿狀態(tài)。

二、晶閘管額定參數(shù)分析

額定電壓UR：一個(gè)晶閘管的耐壓是決定于工廠設(shè)計(jì)和測(cè)試結(jié)果。生產(chǎn)廠商在制作晶閘管時(shí)，取UDRM和UDRM中較小者并向下取整對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品標(biāo)稱值，如600V和1200V，作為額定電壓。在功率電路中，晶閘管用于處理強(qiáng)電，選擇器件耐壓要留有一定裕量。為追求最大可靠性，考慮正常條件、極限條件下工作，晶閘管的額定電壓應(yīng)該選擇供電電源電壓最大峰值的2～3倍。具體選擇多大耐壓的晶閘管，完全決定于應(yīng)用電路，許多書(shū)中關(guān)于這方面的描述不準(zhǔn)確不清晰。額定電流IR：在環(huán)境溫度40?C和額定冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流在一個(gè)電源周期中的通態(tài)電流平均值。同樣地，晶閘管額定電流是決定于工廠設(shè)計(jì)和測(cè)試結(jié)果。生產(chǎn)廠商在制作晶閘管時(shí)，按照上述標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件，獲得額定電流。

晶閘管與功率二極管一樣，這是按照發(fā)熱效應(yīng)等價(jià)或電流有效值不變?cè)瓌t來(lái)定義的。在實(shí)際應(yīng)用電路選型時(shí)，為做到最大安全性，晶閘管耐流值應(yīng)該選擇實(shí)際電路中晶閘管流過(guò)“最大工頻正弦半波電流在一個(gè)電源周期中的通態(tài)電流平均值”的1.5～2倍。額定電流定義的“中心詞”為“……電流平均值”，而不是“……電流有效值”，因此二者之間需要折算，使得情況變得比較復(fù)雜，不容易理解和掌握。為了進(jìn)一步理解額定電流的含義，給出“工頻正弦半波電流波形”和任意“實(shí)際電流波形”之間的電流有效值等價(jià)關(guān)系圖，不失一般性。

三、晶閘管驅(qū)動(dòng)電路分析

1.驅(qū)動(dòng)電路分類

通常相控變換器采用的驅(qū)動(dòng)電路有三種類型：類型1：支持輸出單窄脈沖的同步信號(hào)為鋸齒波的驅(qū)動(dòng)電路（觸發(fā)電路），鋸齒波的驅(qū)動(dòng)電路適合驅(qū)動(dòng)三相半波相控整流電路和其它需要單獨(dú)驅(qū)動(dòng)單管或多管相控變換器，如單相相控整流電路、單相相控交流調(diào)壓電路和三相半波相控整流電路，對(duì)應(yīng)產(chǎn)品包括晶閘管投切電容（Thyristor Switched Capacitor，TSC）、晶閘管投切電感（Thyristor Controlled Reactor，TCR）等。類型2：支持輸出同步單窄脈沖的同步信號(hào)為鋸齒波的驅(qū)動(dòng)電路（觸發(fā)電路），其含兩組相同的驅(qū)動(dòng)變壓器次級(jí)電路，適合驅(qū)動(dòng)單相全橋相控整流電路。類型3：支持輸出異步雙窄脈沖的同步信號(hào)為鋸齒波的驅(qū)動(dòng)電路，其中包含X與Y端子，適合驅(qū)動(dòng)三相全橋相控整流電路和周波變換器。

2.驅(qū)動(dòng)電路工作原理

按照功能劃分后的同步信號(hào)為鋸齒波的驅(qū)動(dòng)電，其整個(gè)電路可以細(xì)化為18小部分和5大部分。5個(gè)大部分包含有同步環(huán)節(jié)、鋸齒波與移相環(huán)節(jié)、雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)、脈沖形成與放大環(huán)節(jié)、強(qiáng)觸發(fā)環(huán)節(jié)。

3.驅(qū)動(dòng)電路仿真分析

采用電路結(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)建立ORCAD和SIMULINK的仿真平臺(tái)，可以完全地實(shí)現(xiàn)同步信號(hào)為鋸齒波的晶閘管驅(qū)動(dòng)電路，可以測(cè)量各點(diǎn)電壓和線路電流波形，觀察每一電量的數(shù)量和相互之間的相位關(guān)系。ORCAD為電路級(jí)仿真軟件，可以選擇合適的元器件和參數(shù)，建立準(zhǔn)確的驅(qū)動(dòng)電路。SIMULINK為系統(tǒng)級(jí)仿真軟件，不能采用Sim Power Sytems庫(kù)，而采用Sim Electronics庫(kù)，建立準(zhǔn)確的驅(qū)動(dòng)電路，而且信號(hào)的輸入與輸出需要與Simulink庫(kù)中的若干子庫(kù)建立轉(zhuǎn)換關(guān)系，包括PS-Simulink Converter 與 Simulink-PS Converter，而且需要采用Solver Configuration定義解算器，不再需要Sim Power Sytems的Powergi去定義simulink and configuration options和Analysis tools。采用兩種仿真軟件，可以獲得晶閘管驅(qū)動(dòng)電路的各點(diǎn)電壓和各線路電流波形。

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