淺析晶閘管額定參數選擇與驅動電路

王逍遙

摘? 要：本文對普通單向晶閘管的電氣參數選型和驅動電路問題進行了歸納和分析總結，對晶閘管額定電壓和額定電流的選擇原理進行詳細描述。

關鍵詞：晶閘管;電氣參數;選擇;驅動電路;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貝爾實驗室。1957年美國通用電氣公司開發出首只晶閘管產品。1958年以后，逐漸實現商業化。晶閘管的誕生使電力電子技術迅速發展和廣泛應用。晶閘管為三端器件，包括門極、陽極和陰極，內部為PNPN四層半導體物理結構，構成具有電流正反饋作用的PNP與NPN共基極復合晶體三極管，因此門極只負責開通晶閘管，不能用于關斷晶閘管，因而稱為半控器件。

一、晶閘管簡紹

晶閘管的開通條件可以總結為：①陽極與陰極所在支路施加有足夠高的正向電壓;②門極通入合適的正驅動電流。晶閘管的導通標志為陽極電流大于擎住電流。

晶閘管的關斷條件可以總結為：①陽極與陰極所在支路施加有足夠高的反向電壓;②門極通入合適的負驅動電流（對于門極可關斷晶閘管GTO）。晶閘管的關斷標志為陽極電流低于維持電流。

晶閘管工作狀態包括：①正向導通區，晶閘管已經進入通態;②負阻區，晶閘管正向電壓較高但是正向漏電流變低，電阻呈現負數;③正向阻斷區，晶閘管正向施加電壓，正向漏電流有所增加;④反向阻斷區，晶閘管反向施加電壓，反向漏電流有所增加;⑤反向擊穿區，晶閘管反向施加電壓過大，反向電流劇增，進入雪崩擊穿狀態。

二、晶閘管額定參數分析

額定電壓UR：一個晶閘管的耐壓是決定于工廠設計和測試結果。生產廠商在制作晶閘管時，取UDRM和UDRM中較小者并向下取整對應的產品標稱值，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，完全決定于應用電路，許多書中關于這方面的描述不準確不清晰。額定電流IR：在環境溫度40?C和額定冷卻狀態下，穩定結溫不超過額定結溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流在一個電源周期中的通態電流平均值。同樣地，晶閘管額定電流是決定于工廠設計和測試結果。生產廠商在制作晶閘管時，按照上述標準測試條件，獲得額定電流。

晶閘管與功率二極管一樣，這是按照發熱效應等價或電流有效值不變原則來定義的。在實際應用電路選型時，為做到最大安全性，晶閘管耐流值應該選擇實際電路中晶閘管流過“最大工頻正弦半波電流在一個電源周期中的通態電流平均值”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雜，不容易理解和掌握。為了進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“實際電流波形”之間的電流有效值等價關系圖，不失一般性。

三、晶閘管驅動電路分析

1.驅動電路分類

通常相控變換器采用的驅動電路有三種類型：類型1：支持輸出單窄脈沖的同步信號為鋸齒波的驅動電路（觸發電路），鋸齒波的驅動電路適合驅動三相半波相控整流電路和其它需要單獨驅動單管或多管相控變換器，如單相相控整流電路、單相相控交流調壓電路和三相半波相控整流電路，對應產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為鋸齒波的驅動電路（觸發電路），其含兩組相同的驅動變壓器次級電路，適合驅動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為鋸齒波的驅動電路，其中包含X與Y端子，適合驅動三相全橋相控整流電路和周波變換器。

2.驅動電路工作原理

按照功能劃分后的同步信號為鋸齒波的驅動電，其整個電路可以細化為18小部分和5大部分。5個大部分包含有同步環節、鋸齒波與移相環節、雙窄脈沖形成環節、脈沖形成與放大環節、強觸發環節。

3.驅動電路仿真分析

采用電路結構和電氣參數建立ORCAD和SIMULINK的仿真平臺，可以完全地實現同步信號為鋸齒波的晶閘管驅動電路，可以測量各點電壓和線路電流波形，觀察每一電量的數量和相互之間的相位關系。ORCAD為電路級仿真軟件，可以選擇合適的元器件和參數，建立準確的驅動電路。SIMULINK為系統級仿真軟件，不能采用Sim Power Sytems庫，而采用Sim Electronics庫，建立準確的驅動電路，而且信號的輸入與輸出需要與Simulink庫中的若干子庫建立轉換關系，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，可以獲得晶閘管驅動電路的各點電壓和各線路電流波形。

參考文獻

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