晶闸管电感耦合式强迫换流电路的深入理解与仿真分析

龙 波，黄 波，郝晓红，高 涛，韩 杨

(电子科技大学 机械电子工程学院，四川 成都 611731)

电力电子技术大纲教学内容中，晶闸管的换流是逆变电路部分的重要内容，在实际中得到广泛应用[1-5]，针对晶闸管的开关过程特性，近年来有很多研究[6-10]。笔者在教学过程中发现，相当一部分学生对晶闸管电感耦合式强迫换流电路的理解不准确，特别是在负半个振荡周期中，当接通开关S后，LC振荡电路的电流将反向流过晶闸管，并且与晶闸管VT的负载电流相减，直到晶闸管的合成电流减至零后再流过旁路二极管[11]，表示难以理解，认为不应该等到合成电流为零时才流经二极管。

本文针对该知识点，详细阐述了晶闸管电感耦合式强迫换流电路的工作原理，分析存在理解上的误区的原因，并给出仿真结果，可为电气工程类学生对该知识点的深入掌握提供参考。

1 晶闸管电感耦合式强迫环流电路

1.1 工作原理

图1为晶闸管电感耦合式强迫换流原理图。图1(a)中，晶闸管在第1个半周期内关断，图1(b)中，晶闸管在第2个半周期关断，其中VD为反并联在晶闸管VT两端的功率二极管。R为负载，S为强迫换流电路部分开关，电容C和电感L组成振荡电路，两者串联后并接在晶闸管两端。

图1 电感耦合式强迫换流原理图

图1中强迫换流电路的工作原理：当开关S闭合后，假设电容上具有初始储能，电容通过电感L进行放电，放电电流iL和流过晶闸管VT的电流iVT进行合成，使晶闸管的电流减小，当晶闸管的正向电流减至零时，晶闸管关断，电容放电电流向二极管流过。二极管的正向电压降VVD就是加在晶闸管上的反向电压，该方法正式利用了LC振荡过程中的放电电流使得流经晶闸管的电流过零点，从而迫使晶闸管关断。

1.2 理解上的误区

实际教学过程中，学生提出相对比较多的问题是为何必须合成电流为零时，其余部分电流才流经反并联二极管VD。学生普遍的理解是开关S闭合之前，A点电压和B点(见图2)电压相等，二极管阳极电压与储能电容正极电位相等，当开关管闭合时，二极管承受正向电压，所以应该会导通。但是，这种结论没有考虑到当S关断后，对于晶闸管而言，电流还未断流，其下降必然有一个过程，只要晶闸管的电流存在，二极管就处于反向偏置状态，不可能导通；唯一二极管导通的条件是，当晶闸管VT断流时，二极管恢复正向偏置状态，储能电容iL经二极管向L放电，形成能量交换。虽然开关管S闭合的瞬间二极管VD是处于正向偏置状态，但是由于电感L对电流的瞬间变化有阻止作用，使得二极管流过电流非常小。教学中发现学生常常在这一点的认识上存在困惑。

图2(a)给出了二极管截止、晶闸管在开关S闭合、电流下降时电路中的电流流向。图2(b)给出了晶闸管截止、二极管正向偏置时电路的电流流向。

图2 二极管导通的过程分析

2 仿真及其分析

2.1 仿真电路搭建

为了验证前述的分析过程，本文以Matlab/Simulink Power system作为仿真环境[12-13]进行仿真，仿真电路如图3所示。电路的参数配置：振荡器电容C为200 μF，C的初始电压为20 V，振荡器电感L为0.2 mH，负载电阻R为2 Ω，负载电感为2 mH，反并联二极管等效导通电阻为0.001 Ω,反并联二极管正向导通电压为0.8 V。

图3 仿真电路

本仿真的主要目标是验证如下2个方面的内容：

(1) 阻感性负载条件下，晶闸管小于移相范围角度情况下正常导通过程；

(2) 晶闸管正常导通条件下，开关管闭合时，LC振荡器强迫换流的过渡过程分析，讨论教材中“当接通开关S后，LC振荡电路电流将反向流过晶闸管，并且与晶闸管VT的负载电流相减，直到晶闸管的合成电流减至零后，再流过旁路二极管”这句话的含义。

2.2 仿真结果及其分析

图4中给出了晶闸管强迫换流仿真输出的波形，交流电源电压为220 V/50 Hz，触发角脉冲时刻为0.002 5 s，触发周期为0.02 s，触发脉冲的占空比为5%。从图4(c)和图4(d)中可以看出，晶闸管的触发时刻为0.002 5 s，振荡电路中开关闭合时刻为0.005 s。从图4(a)中可以看出，在触发脉冲到来时刻之前，晶闸管承受的电压即为电源电压，晶闸管电流为零；在0.002 5 s时，晶闸管因为受到触发而导通，导通压降约为0.8 V，振荡电路储能电容C的初始电压设置为20 V，在0.005 s时刻，开关闭合，晶闸管电流由于阻感性负载而未能立即关断，于是电流开始下降，当下降到零时刻，大约为0.005 5 s时刻，晶闸管完全关断，其承受的电压立即上升。对比图4(b)图中二极管电流开始上升的时刻，恰好就是晶闸管电流过零关断的时刻。正好验证了前面的理论分析。

图4(c)给出了振荡器电容端电压及电流波形，可以看出，在0.00 5 s时刻，电容C开始放电，与晶闸管电流抵消后向负载供电，一直到晶闸管电流过零点时，电容放电电流达到最大，此过程中电容电压逐渐降低，在0.005 2 s时刻左右，电容从初始20 V降低到零，接着进行反向电压充电，反向电压峰值达到180 V左右，又开始下降。

图4 晶闸管强迫换流仿真输出波形

3 结论

晶闸管的关断技术中，强迫换流一直是电力电子技术课程教学中的重点和难点，特别是LC振荡器在负半个周期迫使晶闸管关断的工作过程，给大多数学生带来了不小的困扰。本文针对该电路的结构和容易理解的偏差，进行了详细的分析和仿真验证，为学生掌握该知识点，正确理解基本概念提供指导。

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