晶闸管在调压技术中的应用

刘晓青,刘 伟

(周口师范学院物理与电子工程系,河南周口466001)

电力电子器件是电力电子技术的基础,也是电力电子技术发展的动力,电力电子技术的每一次飞跃都是以新器件的出现为契机的。1957年美国通用电气公司发明了普通反向阻断型可控硅,即晶闸管,它标志着现代电力电子技术的诞生。晶闸管只能通过门极电压控制其开通,不能控制其关断,使得它的应用受到一定的限制。但经过工艺完善和应用开发,到20世纪70年代,晶闸管已形成了从低压小电流到高压大电流的系列产品,以晶闸管为主要器件的电力电子技术很快在电化学工业、铁道电气机车、钢铁工业、电力工业等领域获得了广泛的应用[1]。本文主要论述晶闸管的工作原理以及如何采用晶闸管进行调压。

1 晶闸管的工作原理

晶闸管是主要的电力电子器件,采用的主要材料仍然是硅,而电力电子器件目前往往专指电力半导体器件。同处理信息的电子器件相比,像晶闸管这样的电力电子器件的主要特征是:其一般都工作在开关状态,在作电路分析时,可抽象为理想开关[2]。而晶闸管又是一种可控的开关,其可控性是由其内部结构决定的。

晶闸管由四层半导体组成,形成三个PN结,其内部结构及等效电路如图1所示。要使晶闸管导通,必须同时满足两个条件:阳极承受正向电压;门极有触发电流,二者缺一不可。与普通二极管不同的是,如果晶闸管只承受正向阳极电压,而无触发电流,晶闸管仍然不能导通,即晶闸管具有正向阻断能力。晶闸管一旦导通,门极就失去控制作用,不论门极触发电流是否仍然存在,晶闸管都保持导通。而要使导通的晶闸管关断,只能在阳极主回路采取措施:要么使阳极电压为零,要么使晶闸管承受反向电压,要么使流过晶闸管的电流小于维持电流。

图1 晶闸管的内部结构和等效电路

2 晶闸管调压技术

晶闸管的门极控制特性使得可以采用晶闸管方便地进行调压,常用的晶闸管调压电路有整流电路和交流调压电路。

2.1 晶闸管整流电路

整流电路是出现最早的电力电子电路,按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种;按电路结构可分为桥式电路和半波电路;按交流输入相数分为单相电路和多相电路。另外,当它们所连接的负载性质不同时也会有不同的工作特点。本文仅以单相半波晶闸管相控整流电路带电阻性负载为例进行分析。其电路如图2所示。

图2 单相半波相控整流电路

当满足条件使晶闸管导通时,由于晶闸管相当于理想开关,负载上输出电压便完全由输入电源电压u2决定。当晶闸管关断时,由于晶闸管呈现高阻态,负载上输出电压便为零。如果定义从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度为触发角或控制角,用α表示。定义晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度为导通角,用θ表示,则其工作过程可由波形图表示为图3。

图3 单相半波相控整流电路整流电压波形图

由波形图结合电路知识可得,整流输出电压平均值

这样,只要控制对晶闸管施加脉冲的时刻,即控制触发角α的大小,即可调节输出电压的大小。由式(1)可以看出,当控制角α增大时,输出电压 ud减小;当控制角α减小时,输出电压 ud增大,从而控制输出电压ud在0到0.45U2之间变化。因此,只要调节控制角α便可以得到所需的合适大小的电压。

可以看出,采用晶闸管单相半波整流电路进行调压的线路简单、便于控制,但同时这种电路也存在一定的不足,比如输出电压脉动大、变压器容量不能充分利用等。因此该电路一般只适用于小容量、波形要求不高的场合。在其他场合,根据不同的要求可以采用桥式电路,如果要求容量较大,还可以采用三相甚至多相晶闸管整流电路。

2.2 晶闸管交流调压电路

通过控制晶闸管在每一个电源周期内导通角的大小,即通过相位控制来调节输出电压的大小,即可实现交流调压。交流调压电路的电路结构有单相电压控制器和三相电压控制器两种。单相电压控制器常用于小功率单相电动机控制、照明和电加热控制;三相交流电压控制器通常用于异步电动机的变压调速,或作为异步电动机的启动器使用。本文仍以单相交流调压电路为例,分不同的负载情况进行分析讨论。

电阻负载时调压电路如图4所示,则其工作过程可由波形图表示,见图5。

晶闸管的导通角只与控制角α有关,在电源的正半周和负半周,分别对两个晶闸管的控制角进行控制就可以调节输出电压。正负半周α起始时刻(a=0)均为电压过零时刻,稳态时,正负半周的α相等。触发脉冲除要保证与电源同步外,其宽度也要保证晶闸管能充分导通[3]。

此时负载端输出电压有效值

阻感负载时调压电路如图6所示,由于电感阻碍电流的变化,晶闸管不能立即关断,导电时间延长。因此,晶闸管的导通角不但与控制角α有关,还与负载的阻抗角φ有关。

为保证单相交流调压电路在阻感负载时能正常工作,控制角的范围应为φ≤α≤π,此时可以通过控制角的改变进行正常交流调压。输出电压波形如图7所示,输出电压有效值

晶闸管交流调压电路是用来变换交流电压幅值或有效值的电路,它广泛应用于电炉的温度控制、灯光调节、异步电动机软启动和调速等场合,也可以用作调节整流变压器一次电压。晶闸管交流调压电路操作简便、经济耐用、安全可靠。因此,很有推广使用价值。

3 结论

总之,自从晶闸管问世后,由于其体积小、重量轻、效率高、费用低等优点,现今大量采用晶闸管组成可控的调压电路来提供负载所需的各种电源。用晶闸管进行调压可采用过零调压和移相调压,过零调压得到的电压波动较大[4]。而本文所论述的移相调压,由于电压变化均匀,可使负载稳定工作,且成本较低,是一种经济实用的调压方式。

[1]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2001:4-16.

[2]浣喜明,姚为正.电力电子技术[M].北京:高等教育出版社,2004:20-29.

[3]白雪峰,李沛.单相交流调压电路实验装置的研制[J].实验技术与管理,2006,10(1):54-57.

[4]刘伟,李健.现代电力电子器件的现状与发展浅析[J].周口师范学院学报,2007,24(2):46-49.