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，以智能數字控制電路為核心的電源功率控制電器。具有效率高、無機械噪聲和磨損、響應速度快、體積小、重量輕等諸多優(yōu)點。

優(yōu)點

1、整流結構先進

采用先進出口變壓器結構設計大大提高了整流效率節(jié)約了能源并使整機體積、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穩(wěn)壓/穩(wěn)流、自動電流密度、0-180秒任意調節(jié)軟啟動等良好控制功能，并可通過接口實現計算機控制，是目前的可控硅控制系統(tǒng)。

3、保護功能完善

具有缺相、輸出短路/過載、超溫的完善自動保護。

4、選用優(yōu)質材料及采用嚴謹的制造工藝

變壓器鐵芯采用進口優(yōu)質硅鋼片晶粒取向裁片并嚴格控制接縫。

變壓器線圈采用優(yōu)質無氧銅線材繞制并采用兩次浸漬工藝

一次側控制型整流器原邊采用進口高壓可控硅元件，付邊采用國產優(yōu)質整流元件

二次側控制采用進口可控硅元件。

5、具備妥善的防護措施

整流器的控制部分采用三重防腐處理。優(yōu)良的防腐蝕設計使整機具有極好的環(huán)境耐受力，工作的可靠性大大提高，設備的環(huán)境適應能力遠高于整流器國家標準。

6、操作方便

配備簡單實用的遙控操作箱，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

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：風冷、油冷、水冷

調節(jié)范圍：連續(xù)0-100[%]

保護措施：過電流、過熱、過壓、及短路缺相等保護

功能選擇：普通型、低紋波型、周期換向型、交直流疊加型（著色）

結構

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，簡稱晶閘管T。又由于晶閘管最初應用于可控整流方面所以又稱為硅可控整流元件，簡稱為可控硅SCR。

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

可控硅能以毫安級電流控制大功率的機電設備，如果超過此頻率，因元件開關損耗顯著增加，允許通過的平均電流相降低，此時，標稱電流應降級使用。

可控硅的優(yōu)點很多，例如：以小功率控制大功率，功率放大倍數高達幾十萬倍；反應極快，在微秒級內開通、關斷；無觸點運行，無火花、無噪音；效率高，成本低等等。

可控硅的弱點：靜態(tài)及動態(tài)的過載能力較差；容易受干擾而誤導通。

可控硅從外形上分類主要有：螺栓形、平板形和平底形。

可控硅元件的結構

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結構。見圖1。它有三個PN結（J1、J2、J3），從J1結構的P1層引出陽極A，從N2層引出陰級K，從P2層引出控制極G，所以它是一種四層三端的半導體器件。

圖1、可控硅結構示意圖和符號圖

可控硅整流電路中的波形系數

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。在可控硅整流電路中波形系數是個值得注意的問題。為說明這個問題，我們先按圖1所示的可控硅半波整流電路做個實驗，各元件的型號和參數僅供參考。

先將R值調至，接通電源，此時直流電壓表指示為零，燈泡不亮。然后慢慢減小R值，電壓表讀數逐漸增大，燈泡逐漸增亮。我們會發(fā)現當直流電壓表指示為10伏時，燈泡便達到正常亮度了，這就是說燈泡的功耗已達額定功率了，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還遠沒有達到燈泡的額定電壓36伏，而燈泡的功耗卻已達到額定功率了呢?

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

根據電工學知識，這種周期性的單向脈動電壓的有效值U。乃是瞬時值的平方在一個周期內平均值的算術平方根(均方根值)，即

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

現在再來看看實驗結果。據式(2)可算出，當直流電壓表指示10伏即U。=10伏時，CO$n=-0．7979，波形系數K~3．57，Uo~35．7伏。Uo己相當接近燈泡的額定電壓了，所以燈泡達到正常亮度。

根據同樣的道理可算出，當G相同時，在電阻性負載的全波可控整流電路中，輸出脈動電壓(波形見圖3中的實線)系數的1／／2倍。在上述計算中，均忽略了可控硅導通時的正向壓降。對其他形式的整流電路以及負載呈電感性時輸出電壓的波形系數，本文不再贅述。

由上面的分析可知，在用可控硅進一行整流時，直流電壓表(或電流表)上L的讀數是輸出電壓(或電流)的平均1K值，不能將讀數直接代入公式卜U2L來計算負載上的功耗，這是因為式中U為負載R，上的電壓有效值，即U=Uo。

如欲減小波形系數，使輸出出電壓有效值接近于平均值，有三條措施可?。?/P>

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

在實際應用中，為方便起見，我們可根據表二來估算不同的輸出直流電壓時的波形系數，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U。與輸入交流電壓有效值U的比。即23(3)，便可得到相應的波形系數K。例如在圖1所示的電路中，當直流電壓表指示為50伏時，n=50／220~0．23，根據表二可估算出此時波形系數K在2．32和1．98之間。

對于全波可控整流電路來說，

根據同樣的道理，可得出全波可控整流電路中，對應于不同n值(可控硅全導通時n取得值0．9)時的波形系數K。

可控硅知識的問與答

一、可控硅的概念和結構？

晶閘管又叫可控硅。自從20世紀50年代問世以來已經發(fā)展成了一個大的家族，它的主要成員有單向晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管、逆導晶閘管、可關斷晶閘管、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，它是由四層半導體材料組成的，有三個PN結，對外有三個電極〔圖2(a)〕：層P型半導體引出的電極叫陽極A，第三層P型半導體引出的電極叫控制極G，第四層N型半導體引出的電極叫陰極K。從晶閘管的電路符號〔圖2(b)〕可以看到，它和二極管一樣是一種單方向導電的器件，關鍵是多了一個控制極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

為了能夠直觀地認識晶閘管的工作特性，大家先看這塊示教板(圖3)。晶閘管VS與小燈泡EL串聯起來，通過開關S接在直流電源上。注意陽極A是接電源的正極，陰極K接電源的負極，控制極G通過按鈕開關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在我們合上電源開關S，小燈泡不亮，說明晶閘管沒有導通；再按一下按鈕開關SB，給控制極輸入一個觸發(fā)電壓，小燈泡亮了，說明晶閘管導通了。這個演示實驗給了我們什么啟發(fā)呢?

圖3

這個實驗告訴我們，要使晶閘管導通，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之間輸入一個正向觸發(fā)電壓。晶閘管導通后，松開按鈕開關，去掉觸發(fā)電壓，仍然維持導通狀態(tài)。

晶閘管的特點：是“一觸即發(fā)”。但是，如果陽極或控制極外加的是反向電壓，晶閘管就不能導通?？刂茦O的作用是通過外加正向觸發(fā)脈沖使晶閘管導通，卻不能使它關斷。那么，用什么方法才能使導通的晶閘管關斷呢?使導通的晶閘管關斷，可以斷開陽極電源(圖3中的開關S)或使陽極電流小于維持導通的最小值(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直流電壓，那么，在電壓過零時，晶閘管會自行關斷。

三、用萬用表可以區(qū)分晶閘管的三個電極嗎?怎樣測試晶閘管的好壞呢?

普通晶閘管的三個電極可以用萬用表歐姆擋R×100擋位來測。大家知道，晶閘管G、K之間是一個PN結〔圖2(a)〕，相當于一個二極管，G為正極、K為負極，所以，按照測試二極管的方法，找出三個極中的兩個極，測它的正、反向電阻，電阻小時，萬用表黑表筆接的是控制極G，紅表筆接的是陰極K，剩下的一個就是陽極A了。測試晶閘管的好壞，可以用剛才演示用的示教板電路(圖3)。接通電源開關S，按一下按鈕開關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，就可以構成可控整流電路?，F在我畫一個最簡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仍然不能導通，只有在U2處于正半周，在控制極外加觸發(fā)脈沖Ug時，晶閘管被觸發(fā)導通?，F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，負載RL上才有電壓UL輸出(波形圖上陰影部分)。Ug到來得早，晶閘管導通的時間就早；Ug到來得晚，晶閘管導通的時間就晚。通過改變控制極上觸發(fā)脈沖Ug到來的時間，就可以調節(jié)負載上輸出電壓的平均值UL(陰影部分的面積大小)。在電工技術中，常把交流電的半個周期定為180°，稱為電角度。這樣，在U2的每個正半周，從零值開始到觸發(fā)脈沖到來瞬間所經歷的電角度稱為控制角α；在每個正半周內晶閘管導通的電角度叫導通角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周期的導通或阻斷范圍的。通過改變控制角α或導通角θ，改變負載上脈沖直流電壓的平均值UL，實現了可控整流。

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，只需要把兩個二極管換成晶閘管就能構成全波可控整流電路了?，F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。今天大家制作的調壓器，采用的是單結晶體管觸發(fā)電路。

七、什么是單結晶體管?它有什么特殊性能呢?

單結晶體管又叫雙基極二極管，是由一個PN結和三個電極構成的半導體器件(圖6)。我們先畫出它的結構示意圖〔圖7(a)〕。在一塊N型硅片兩端，制作兩個電極，分別叫做基極B1和第二基極B2；硅片的另一側靠近B2處制作了一個PN結，相當于一只二極管，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)域等效為一個純電阻RBB，稱為基區(qū)電阻，并可看作是兩個電阻RB2、RB1的串聯〔圖7(b)〕。值得注意的是RB1的阻值會隨發(fā)射極電流IE的變化而改變，具有可變電阻的特性。如果在兩個基極B2、B1之間加上一個直流電壓UBB，則A點的電壓UA為：若發(fā)射極電壓UE<UA，二極管VD截止；當UE大于單結晶體管的峰點電壓UP(UP=UD＋UA)時，二極管VD導通，發(fā)射極電流IE注入RB1，使RB1的阻值急劇變小，E點電位UE隨之下降，出現了IE增大UE反而降低的現象，稱為負阻效應。發(fā)射極電流IE繼續(xù)增加，發(fā)射極電壓UE不斷下降，當UE下降到谷點電壓UV以下時，單結晶體管就進入截止狀態(tài)。

八、怎樣利用單結晶體管組成晶閘管觸發(fā)電路呢?

單結晶體管組成的觸發(fā)脈沖產生電路在今天大家制作的調壓器中已經具體應用了。為了說明它的工作原理，我們單獨畫出單結晶體管張弛振蕩器的電路(圖8)。它是由單結晶體管和RC充放電電路組成的。合上電源開關S后，電源UBB經電位器RP向電容器C充電，電容器上的電壓UC按指數規(guī)律上升。當UC上升到單結晶體管的峰點電壓UP時，單結晶體管突然導通，基區(qū)電阻RB1急劇減小，電容器C通過PN結向電阻R1迅速放電，使R1兩端電壓Ug發(fā)生一個正跳變，形成陡峭的脈沖前沿〔圖8(b)〕。隨著電容器C的放電，UE按指數規(guī)律下降，直到低于谷點電壓UV時單結晶體管截止。這樣，在R1兩端輸出的是尖頂觸發(fā)脈沖。此時，電源UBB又開始給電容器C充電，進入第二個充放電過程。這樣周而復始，電路中進行著周期性的振蕩。調節(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)現晶閘管承受正向電壓的每半個周期內，發(fā)出個觸發(fā)脈沖的時刻都相同，也就是控制角α和導通角θ都相等，那么，單結晶體管張弛振蕩器怎樣才能與交流電源準確地配合以實現有效的控制呢?

為了實現整流電路輸出電壓“可控”，必須使晶閘管承受正向電壓的每半個周期內，觸發(fā)電路發(fā)出個觸發(fā)脈沖的時刻都相同，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?大家再看調壓器的電路圖(圖1)。請注意，在這里單結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。在晶閘管沒有導通時，張弛振蕩器的電容器C被電源充電，UC按指數規(guī)律上升到峰點電壓UP時，單結晶體管VT導通，在VS導通期間，負載RL上有交流電壓和電流，與此同時，導通的VS兩端電壓降很小，迫使張弛振蕩器停止工作。當交流電壓過零瞬間，晶閘管VS被迫關斷，張弛振蕩器得電，又開始給電容器C充電，重復以上過程。這樣，每次交流電壓過零后，張弛振蕩器發(fā)出個觸發(fā)脈沖的時刻都相同，這個時刻取決于RP的阻值和C的電容量。調節(jié)RP的阻值，就可以改變電容器C的充電時間，也就改變了個Ug發(fā)出的時刻，相應地改變了晶閘管的控制角，使負載RL上輸出電壓的平均值發(fā)生變化，達到調壓的目的。

雙向晶閘管的T1和T2不能互換。否則會損壞管子和相關的控制電路。