晶閘管電感耦合式強迫換流電路的深入理解與仿真分析

龍 波，黃 波，郝曉紅，高 濤，韓 楊

(電子科技大學 機械電子工程學院，四川 成都 611731)

電力電子技術大綱教學內容中，晶閘管的換流是逆變電路部分的重要內容，在實際中得到廣泛應用[1-5]，針對晶閘管的開關過程特性，近年來有很多研究[6-10]。筆者在教學過程中發現，相當一部分學生對晶閘管電感耦合式強迫換流電路的理解不準確，特別是在負半個振蕩周期中，當接通開關S后，LC振蕩電路的電流將反向流過晶閘管，并且與晶閘管VT的負載電流相減，直到晶閘管的合成電流減至零后再流過旁路二極管[11]，表示難以理解，認為不應該等到合成電流為零時才流經二極管。

本文針對該知識點，詳細闡述了晶閘管電感耦合式強迫換流電路的工作原理，分析存在理解上的誤區的原因，并給出仿真結果，可為電氣工程類學生對該知識點的深入掌握提供參考。

1 晶閘管電感耦合式強迫環流電路

1.1 工作原理

圖1為晶閘管電感耦合式強迫換流原理圖。圖1(a)中，晶閘管在第1個半周期內關斷，圖1(b)中，晶閘管在第2個半周期關斷，其中VD為反并聯在晶閘管VT兩端的功率二極管。R為負載，S為強迫換流電路部分開關，電容C和電感L組成振蕩電路，兩者串聯后并接在晶閘管兩端。

圖1 電感耦合式強迫換流原理圖

圖1中強迫換流電路的工作原理：當開關S閉合后，假設電容上具有初始儲能，電容通過電感L進行放電，放電電流iL和流過晶閘管VT的電流iVT進行合成，使晶閘管的電流減小，當晶閘管的正向電流減至零時，晶閘管關斷，電容放電電流向二極管流過。二極管的正向電壓降VVD就是加在晶閘管上的反向電壓，該方法正式利用了LC振蕩過程中的放電電流使得流經晶閘管的電流過零點，從而迫使晶閘管關斷。

1.2 理解上的誤區

實際教學過程中，學生提出相對比較多的問題是為何必須合成電流為零時，其余部分電流才流經反并聯二極管VD。學生普遍的理解是開關S閉合之前，A點電壓和B點(見圖2)電壓相等，二極管陽極電壓與儲能電容正極電位相等，當開關管閉合時，二極管承受正向電壓，所以應該會導通。但是，這種結論沒有考慮到當S關斷后，對于晶閘管而言，電流還未斷流，其下降必然有一個過程，只要晶閘管的電流存在，二極管就處于反向偏置狀態，不可能導通；唯一二極管導通的條件是，當晶閘管VT斷流時，二極管恢復正向偏置狀態，儲能電容iL經二極管向L放電，形成能量交換。雖然開關管S閉合的瞬間二極管VD是處于正向偏置狀態，但是由于電感L對電流的瞬間變化有阻止作用，使得二極管流過電流非常小。教學中發現學生常常在這一點的認識上存在困惑。

圖2(a)給出了二極管截止、晶閘管在開關S閉合、電流下降時電路中的電流流向。圖2(b)給出了晶閘管截止、二極管正向偏置時電路的電流流向。

圖2 二極管導通的過程分析

2 仿真及其分析

2.1 仿真電路搭建

為了驗證前述的分析過程，本文以Matlab/Simulink Power system作為仿真環境[12-13]進行仿真，仿真電路如圖3所示。電路的參數配置：振蕩器電容C為200 μF，C的初始電壓為20 V，振蕩器電感L為0.2 mH，負載電阻R為2 Ω，負載電感為2 mH，反并聯二極管等效導通電阻為0.001 Ω,反并聯二極管正向導通電壓為0.8 V。

圖3 仿真電路

本仿真的主要目標是驗證如下2個方面的內容：

(1) 阻感性負載條件下，晶閘管小于移相范圍角度情況下正常導通過程；

(2) 晶閘管正常導通條件下，開關管閉合時，LC振蕩器強迫換流的過渡過程分析，討論教材中“當接通開關S后，LC振蕩電路電流將反向流過晶閘管，并且與晶閘管VT的負載電流相減，直到晶閘管的合成電流減至零后，再流過旁路二極管”這句話的含義。

2.2 仿真結果及其分析

圖4中給出了晶閘管強迫換流仿真輸出的波形，交流電源電壓為220 V/50 Hz，觸發角脈沖時刻為0.002 5 s，觸發周期為0.02 s，觸發脈沖的占空比為5%。從圖4(c)和圖4(d)中可以看出，晶閘管的觸發時刻為0.002 5 s，振蕩電路中開關閉合時刻為0.005 s。從圖4(a)中可以看出，在觸發脈沖到來時刻之前，晶閘管承受的電壓即為電源電壓，晶閘管電流為零；在0.002 5 s時，晶閘管因為受到觸發而導通，導通壓降約為0.8 V，振蕩電路儲能電容C的初始電壓設置為20 V，在0.005 s時刻，開關閉合，晶閘管電流由于阻感性負載而未能立即關斷，于是電流開始下降，當下降到零時刻，大約為0.005 5 s時刻，晶閘管完全關斷，其承受的電壓立即上升。對比圖4(b)圖中二極管電流開始上升的時刻，恰好就是晶閘管電流過零關斷的時刻。正好驗證了前面的理論分析。

圖4(c)給出了振蕩器電容端電壓及電流波形，可以看出，在0.00 5 s時刻，電容C開始放電，與晶閘管電流抵消后向負載供電，一直到晶閘管電流過零點時，電容放電電流達到最大，此過程中電容電壓逐漸降低，在0.005 2 s時刻左右，電容從初始20 V降低到零，接著進行反向電壓充電，反向電壓峰值達到180 V左右，又開始下降。

圖4 晶閘管強迫換流仿真輸出波形

3 結論

晶閘管的關斷技術中，強迫換流一直是電力電子技術課程教學中的重點和難點，特別是LC振蕩器在負半個周期迫使晶閘管關斷的工作過程，給大多數學生帶來了不小的困擾。本文針對該電路的結構和容易理解的偏差，進行了詳細的分析和仿真驗證，為學生掌握該知識點，正確理解基本概念提供指導。

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