可控硅整流器

可控硅整流器的寫法

可控硅整流器介紹

可控硅整流器：是一種以晶閘管（電力電子功率器件）為基礎(chǔ)，以智能數(shù)字控制電路為核心的電源功率控制電器。具有效率高、無機(jī)械噪聲和磨損、響應(yīng)速度快、體積小、重量輕等諸多優(yōu)點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)

1、整流結(jié)構(gòu)先進(jìn)

采用先進(jìn)出口變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大大提高了整流效率節(jié)約了能源并使整機(jī)體積、重量大為減小，可靠性大為提高。

2、控制特性良好

采用的控制電路與國際主流可控硅控制電路可完全互換，該控制電路它具有自動(dòng)穩(wěn)壓/穩(wěn)流、自動(dòng)電流密度、0-180秒任意調(diào)節(jié)軟啟動(dòng)等良好控制功能，并可通過接口實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，是目前的可控硅控制系統(tǒng)。

3、保護(hù)功能完善

具有缺相、輸出短路/過載、超溫的完善自動(dòng)保護(hù)。

4、選用優(yōu)質(zhì)材料及采用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹圃旃に?/P>

變壓器鐵芯采用進(jìn)口優(yōu)質(zhì)硅鋼片晶粒取向裁片并嚴(yán)格控制接縫。

變壓器線圈采用優(yōu)質(zhì)無氧銅線材繞制并采用兩次浸漬工藝

一次側(cè)控制型整流器原邊采用進(jìn)口高壓可控硅元件，付邊采用國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)整流元件

二次側(cè)控制采用進(jìn)口可控硅元件。

5、具備妥善的防護(hù)措施

整流器的控制部分采用三重防腐處理。優(yōu)良的防腐蝕設(shè)計(jì)使整機(jī)具有極好的環(huán)境耐受力，工作的可靠性大大提高，設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)能力遠(yuǎn)高于整流器國家標(biāo)準(zhǔn)。

6、操作方便

配備簡(jiǎn)單實(shí)用的遙控操作箱，即方便使用者在工位就近操作又可方便整流器安裝選位。

參數(shù)

輸入電壓范圍：(三相)380V±10[%]50-60Hz

穩(wěn)定度：≤±1[%]

波紋電壓：≤2[%]

冷卻方式：風(fēng)冷、油冷、水冷

調(diào)節(jié)范圍：連續(xù)0-100[%]

保護(hù)措施：過電流、過熱、過壓、及短路缺相等保護(hù)

功能選擇：普通型、低紋波型、周期換向型、交直流疊加型（著色）

結(jié)構(gòu)

一種以硅單晶為基本材料的P1N1P2N2四層三端器件，創(chuàng)制于1957年，由于它特性類似于真空閘流管，所以國際上通稱為硅晶體閘流管，簡(jiǎn)稱晶閘管T。又由于晶閘管最初應(yīng)用于可控整流方面所以又稱為硅可控整流元件，簡(jiǎn)稱為可控硅SCR。

在性能上，可控硅不僅具有單向?qū)щ娦?，而且還具有比硅整流元件（俗稱“死硅”）更為可貴的可控性。它只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)。

可控硅能以毫安級(jí)電流控制大功率的機(jī)電設(shè)備，如果超過此頻率，因元件開關(guān)損耗顯著增加，允許通過的平均電流相降低，此時(shí)，標(biāo)稱電流應(yīng)降級(jí)使用。

可控硅的優(yōu)點(diǎn)很多，例如：以小功率控制大功率，功率放大倍數(shù)高達(dá)幾十萬倍；反應(yīng)極快，在微秒級(jí)內(nèi)開通、關(guān)斷；無觸點(diǎn)運(yùn)行，無火花、無噪音；效率高，成本低等等。

可控硅的弱點(diǎn)：靜態(tài)及動(dòng)態(tài)的過載能力較差；容易受干擾而誤導(dǎo)通。

可控硅從外形上分類主要有：螺栓形、平板形和平底形。

可控硅元件的結(jié)構(gòu)

不管可控硅的外形如何，它們的管芯都是由P型硅和N型硅組成的四層P1N1P2N2結(jié)構(gòu)。見圖1。它有三個(gè)PN結(jié)（J1、J2、J3），從J1結(jié)構(gòu)的P1層引出陽極A，從N2層引出陰級(jí)K，從P2層引出控制極G，所以它是一種四層三端的半導(dǎo)體器件。

圖1、可控硅結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)圖

可控硅整流電路中的波形系數(shù)

某一電壓(或電流)的有效值與其平均值之比，我們稱之為波形系數(shù)。在可控硅整流電路中波形系數(shù)是個(gè)值得注意的問題。為說明這個(gè)問題，我們先按圖1所示的可控硅半波整流電路做個(gè)實(shí)驗(yàn)，各元件的型號(hào)和參數(shù)僅供參考。

先將R值調(diào)至，接通電源，此時(shí)直流電壓表指示為零，燈泡不亮。然后慢慢減小R值，電壓表讀數(shù)逐漸增大，燈泡逐漸增亮。我們會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)直流電壓表指示為10伏時(shí)，燈泡便達(dá)到正常亮度了，這就是說燈泡的功耗已達(dá)額定功率了，若再繼續(xù)增高電壓，燈泡就可能燒毀。為什么電壓表的讀數(shù)還遠(yuǎn)沒有達(dá)到燈泡的額定電壓36伏，而燈泡的功耗卻已達(dá)到額定功率了呢?

燈光中流過的電流是單向脈動(dòng)電流，燈泡兩端的電壓為單向脈動(dòng)電壓，其波形如圖2中實(shí)線所示。直流電壓表的讀數(shù)是這種脈動(dòng)電壓的平均值，而刁；是它的有效值。其有效值卻要比平均值大得多。

根據(jù)電工學(xué)知識(shí)，這種周期性的單向脈動(dòng)電壓的有效值U。乃是瞬時(shí)值的平方在一個(gè)周期內(nèi)平均值的算術(shù)平方根(均方根值)，即

將不同的Q值代入式(3)，就得到相應(yīng)的K值，如表一所示。由表一可以看出，當(dāng)可控硅的移相角由零變到n時(shí)，波形系數(shù)K值逐漸增大，而且增大的速度越來越快，當(dāng)。接近，I時(shí)，K值將急聚增加(而U和Uo都急聚下降。)

現(xiàn)在再來看看實(shí)驗(yàn)結(jié)果。據(jù)式(2)可算出，當(dāng)直流電壓表指示10伏即U。=10伏時(shí)，CO$n=-0．7979，波形系數(shù)K~3．57，Uo~35．7伏。Uo己相當(dāng)接近燈泡的額定電壓了，所以燈泡達(dá)到正常亮度。

根據(jù)同樣的道理可算出，當(dāng)G相同時(shí)，在電阻性負(fù)載的全波可控整流電路中，輸出脈動(dòng)電壓(波形見圖3中的實(shí)線)系數(shù)的1／／2倍。在上述計(jì)算中，均忽略了可控硅導(dǎo)通時(shí)的正向壓降。對(duì)其他形式的整流電路以及負(fù)載呈電感性時(shí)輸出電壓的波形系數(shù)，本文不再贅述。

由上面的分析可知，在用可控硅進(jìn)一行整流時(shí)，直流電壓表(或電流表)上L的讀數(shù)是輸出電壓(或電流)的平均1K值，不能將讀數(shù)直接代入公式卜U2L來計(jì)算負(fù)載上的功耗，這是因?yàn)槭街蠻為負(fù)載R，上的電壓有效值，即U=Uo。

如欲減小波形系數(shù)，使輸出出電壓有效值接近于平均值，有三條措施可取：

(1)盡量減小可控硅的移相角，如Q：o時(shí)，則K=I．57(單相半波)：(2)當(dāng)負(fù)載額定電壓比輸入交流電壓的有效值低得多時(shí)，先用變壓器降壓再進(jìn)行整流；(3)盡量采用單向可控整流或三相可控整流電路。如忽視波形系數(shù)的影響，盡管電壓表的讀數(shù)還遠(yuǎn)未達(dá)到負(fù)載的額定電壓，但仍有可能燒毀電器，以致造成不應(yīng)有的損失。這是必須注意的。

在實(shí)際應(yīng)用中，為方便起見，我們可根據(jù)表二來估算不同的輸出直流電壓時(shí)的波形系數(shù)，從而估算出輸出電壓的有效值。表二中的n為直流電壓表的讀數(shù)U。與輸入交流電壓有效值U的比。即23(3)，便可得到相應(yīng)的波形系數(shù)K。例如在圖1所示的電路中，當(dāng)直流電壓表指示為50伏時(shí)，n=50／220~0．23，根據(jù)表二可估算出此時(shí)波形系數(shù)K在2．32和1．98之間。

對(duì)于全波可控整流電路來說，

根據(jù)同樣的道理，可得出全波可控整流電路中，對(duì)應(yīng)于不同n值(可控硅全導(dǎo)通時(shí)n取得值0．9)時(shí)的波形系數(shù)K。

可控硅知識(shí)的問與答

一、可控硅的概念和結(jié)構(gòu)？

晶閘管又叫可控硅。自從20世紀(jì)50年代問世以來已經(jīng)發(fā)展成了一個(gè)大的家族，它的主要成員有單向晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、快速晶閘管，等等。今天大家使用的是單向晶閘管，也就是人們常說的普通晶閘管，它是由四層半導(dǎo)體材料組成的，有三個(gè)PN結(jié)，對(duì)外有三個(gè)電極〔圖2(a)〕：層P型半導(dǎo)體引出的電極叫陽極A，第三層P型半導(dǎo)體引出的電極叫控制極G，第四層N型半導(dǎo)體引出的電極叫陰極K。從晶閘管的電路符號(hào)〔圖2(b)〕可以看到，它和二極管一樣是一種單方向?qū)щ姷钠骷?，關(guān)鍵是多了一個(gè)控制極G，這就使它具有與二極管完全不同的工作特性。

圖2

二、晶閘管的主要工作特性

為了能夠直觀地認(rèn)識(shí)晶閘管的工作特性，大家先看這塊示教板(圖3)。晶閘管VS與小燈泡EL串聯(lián)起來，通過開關(guān)S接在直流電源上。注意陽極A是接電源的正極，陰極K接電源的負(fù)極，控制極G通過按鈕開關(guān)SB接在3V直流電源的正極(這里使用的是KP5型晶閘管，若采用KP1型，應(yīng)接在1.5V直流電源的正極)。晶閘管與電源的這種連接方式叫做正向連接，也就是說，給晶閘管陽極和控制極所加的都是正向電壓?，F(xiàn)在我們合上電源開關(guān)S，小燈泡不亮，說明晶閘管沒有導(dǎo)通；再按一下按鈕開關(guān)SB，給控制極輸入一個(gè)觸發(fā)電壓，小燈泡亮了，說明晶閘管導(dǎo)通了。這個(gè)演示實(shí)驗(yàn)給了我們什么啟發(fā)呢?

圖3

這個(gè)實(shí)驗(yàn)告訴我們，要使晶閘管導(dǎo)通，一是在它的陽極A與陰極K之間外加正向電壓，二是在它的控制極G與陰極K之間輸入一個(gè)正向觸發(fā)電壓。晶閘管導(dǎo)通后，松開按鈕開關(guān)，去掉觸發(fā)電壓，仍然維持導(dǎo)通狀態(tài)。

晶閘管的特點(diǎn)：是“一觸即發(fā)”。但是，如果陽極或控制極外加的是反向電壓，晶閘管就不能導(dǎo)通?？刂茦O的作用是通過外加正向觸發(fā)脈沖使晶閘管導(dǎo)通，卻不能使它關(guān)斷。那么，用什么方法才能使導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷呢?使導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，可以斷開陽極電源(圖3中的開關(guān)S)或使陽極電流小于維持導(dǎo)通的最小值(稱為維持電流)。如果晶閘管陽極和陰極之間外加的是交流電壓或脈動(dòng)直流電壓，那么，在電壓過零時(shí)，晶閘管會(huì)自行關(guān)斷。

三、用萬用表可以區(qū)分晶閘管的三個(gè)電極嗎?怎樣測(cè)試晶閘管的好壞呢?

普通晶閘管的三個(gè)電極可以用萬用表歐姆擋R×100擋位來測(cè)。大家知道，晶閘管G、K之間是一個(gè)PN結(jié)〔圖2(a)〕，相當(dāng)于一個(gè)二極管，G為正極、K為負(fù)極，所以，按照測(cè)試二極管的方法，找出三個(gè)極中的兩個(gè)極，測(cè)它的正、反向電阻，電阻小時(shí)，萬用表黑表筆接的是控制極G，紅表筆接的是陰極K，剩下的一個(gè)就是陽極A了。測(cè)試晶閘管的好壞，可以用剛才演示用的示教板電路(圖3)。接通電源開關(guān)S，按一下按鈕開關(guān)SB，燈泡發(fā)光就是好的，不發(fā)光就是壞的

四、晶閘管在電路中的主要用途是什么?

普通晶閘管最基本的用途就是可控整流。大家熟悉的二極管整流電路屬于不可控整流電路。如果把二極管換成晶閘管，就可以構(gòu)成可控整流電路。現(xiàn)在我畫一個(gè)最簡(jiǎn)單的單相半波可控整流電路〔圖4(a)〕。在正弦交流電壓U2的正半周期間，如果VS的控制極沒有輸入觸發(fā)脈沖Ug，VS仍然不能導(dǎo)通，只有在U2處于正半周，在控制極外加觸發(fā)脈沖Ug時(shí)，晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通?，F(xiàn)在，畫出它的波形圖〔圖4(c)及(d)〕，可以看到，只有在觸發(fā)脈沖Ug到來時(shí)，負(fù)載RL上才有電壓UL輸出(波形圖上陰影部分)。Ug到來得早，晶閘管導(dǎo)通的時(shí)間就早；Ug到來得晚，晶閘管導(dǎo)通的時(shí)間就晚。通過改變控制極上觸發(fā)脈沖Ug到來的時(shí)間，就可以調(diào)節(jié)負(fù)載上輸出電壓的平均值UL(陰影部分的面積大小)。在電工技術(shù)中，常把交流電的半個(gè)周期定為180°，稱為電角度。這樣，在U2的每個(gè)正半周，從零值開始到觸發(fā)脈沖到來瞬間所經(jīng)歷的電角度稱為控制角α；在每個(gè)正半周內(nèi)晶閘管導(dǎo)通的電角度叫導(dǎo)通角θ。很明顯，α和θ都是用來表示晶閘管在承受正向電壓的半個(gè)周期的導(dǎo)通或阻斷范圍的。通過改變控制角α或?qū)ń铅?，改變?fù)載上脈沖直流電壓的平均值UL，實(shí)現(xiàn)了可控整流。

五、在橋式整流電路中，把二極管都換成晶閘管是不是就成了可控整流電路了呢?

在橋式整流電路中，只需要把兩個(gè)二極管換成晶閘管就能構(gòu)成全波可控整流電路了?，F(xiàn)在畫出電路圖和波形圖(圖5)，就能看明白了。

六、晶閘管控制極所需的觸發(fā)脈沖是怎么產(chǎn)生的呢?

晶閘管觸發(fā)電路的形式很多，常用的有阻容移相橋觸發(fā)電路、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路、晶體三極管觸發(fā)電路、利用小晶閘管觸發(fā)大晶閘管的觸發(fā)電路，等等。今天大家制作的調(diào)壓器，采用的是單結(jié)晶體管觸發(fā)電路。

七、什么是單結(jié)晶體管?它有什么特殊性能呢?

單結(jié)晶體管又叫雙基極二極管，是由一個(gè)PN結(jié)和三個(gè)電極構(gòu)成的半導(dǎo)體器件(圖6)。我們先畫出它的結(jié)構(gòu)示意圖〔圖7(a)〕。在一塊N型硅片兩端，制作兩個(gè)電極，分別叫做基極B1和第二基極B2；硅片的另一側(cè)靠近B2處制作了一個(gè)PN結(jié)，相當(dāng)于一只二極管，在P區(qū)引出的電極叫發(fā)射極E。為了分析方便，可以把B1、B2之間的N型區(qū)域等效為一個(gè)純電阻RBB，稱為基區(qū)電阻，并可看作是兩個(gè)電阻RB2、RB1的串聯(lián)〔圖7(b)〕。值得注意的是RB1的阻值會(huì)隨發(fā)射極電流IE的變化而改變，具有可變電阻的特性。如果在兩個(gè)基極B2、B1之間加上一個(gè)直流電壓UBB，則A點(diǎn)的電壓UA為：若發(fā)射極電壓UE<UA，二極管VD截止；當(dāng)UE大于單結(jié)晶體管的峰點(diǎn)電壓UP(UP=UD＋UA)時(shí)，二極管VD導(dǎo)通，發(fā)射極電流IE注入RB1，使RB1的阻值急劇變小，E點(diǎn)電位UE隨之下降，出現(xiàn)了IE增大UE反而降低的現(xiàn)象，稱為負(fù)阻效應(yīng)。發(fā)射極電流IE繼續(xù)增加，發(fā)射極電壓UE不斷下降，當(dāng)UE下降到谷點(diǎn)電壓UV以下時(shí)，單結(jié)晶體管就進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。

八、怎樣利用單結(jié)晶體管組成晶閘管觸發(fā)電路呢?

單結(jié)晶體管組成的觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路在今天大家制作的調(diào)壓器中已經(jīng)具體應(yīng)用了。為了說明它的工作原理，我們單獨(dú)畫出單結(jié)晶體管張弛振蕩器的電路(圖8)。它是由單結(jié)晶體管和RC充放電電路組成的。合上電源開關(guān)S后，電源UBB經(jīng)電位器RP向電容器C充電，電容器上的電壓UC按指數(shù)規(guī)律上升。當(dāng)UC上升到單結(jié)晶體管的峰點(diǎn)電壓UP時(shí)，單結(jié)晶體管突然導(dǎo)通，基區(qū)電阻RB1急劇減小，電容器C通過PN結(jié)向電阻R1迅速放電，使R1兩端電壓Ug發(fā)生一個(gè)正跳變，形成陡峭的脈沖前沿〔圖8(b)〕。隨著電容器C的放電，UE按指數(shù)規(guī)律下降，直到低于谷點(diǎn)電壓UV時(shí)單結(jié)晶體管截止。這樣，在R1兩端輸出的是尖頂觸發(fā)脈沖。此時(shí)，電源UBB又開始給電容器C充電，進(jìn)入第二個(gè)充放電過程。這樣周而復(fù)始，電路中進(jìn)行著周期性的振蕩。調(diào)節(jié)RP可以改變振蕩周期。

九、在可控整流電路的波形圖中，發(fā)現(xiàn)晶閘管承受正向電壓的每半個(gè)周期內(nèi)，發(fā)出個(gè)觸發(fā)脈沖的時(shí)刻都相同，也就是控制角α和導(dǎo)通角θ都相等，那么，單結(jié)晶體管張弛振蕩器怎樣才能與交流電源準(zhǔn)確地配合以實(shí)現(xiàn)有效的控制呢?

為了實(shí)現(xiàn)整流電路輸出電壓“可控”，必須使晶閘管承受正向電壓的每半個(gè)周期內(nèi)，觸發(fā)電路發(fā)出個(gè)觸發(fā)脈沖的時(shí)刻都相同，這種相互配合的工作方式，稱為觸發(fā)脈沖與電源同步。

怎樣才能做到同步呢?大家再看調(diào)壓器的電路圖(圖1)。請(qǐng)注意，在這里單結(jié)晶體管張弛振蕩器的電源是取自橋式整流電路輸出的全波脈沖直流電壓。在晶閘管沒有導(dǎo)通時(shí)，張弛振蕩器的電容器C被電源充電，UC按指數(shù)規(guī)律上升到峰點(diǎn)電壓UP時(shí)，單結(jié)晶體管VT導(dǎo)通，在VS導(dǎo)通期間，負(fù)載RL上有交流電壓和電流，與此同時(shí)，導(dǎo)通的VS兩端電壓降很小，迫使張弛振蕩器停止工作。當(dāng)交流電壓過零瞬間，晶閘管VS被迫關(guān)斷，張弛振蕩器得電，又開始給電容器C充電，重復(fù)以上過程。這樣，每次交流電壓過零后，張弛振蕩器發(fā)出個(gè)觸發(fā)脈沖的時(shí)刻都相同，這個(gè)時(shí)刻取決于RP的阻值和C的電容量。調(diào)節(jié)RP的阻值，就可以改變電容器C的充電時(shí)間，也就改變了個(gè)Ug發(fā)出的時(shí)刻，相應(yīng)地改變了晶閘管的控制角，使負(fù)載RL上輸出電壓的平均值發(fā)生變化，達(dá)到調(diào)壓的目的。

雙向晶閘管的T1和T2不能互換。否則會(huì)損壞管子和相關(guān)的控制電路。