晶闸管结构与工作原理在大功率变频技术中的应用

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1.前言

晶闸管又叫可控硅(SCR)，自从20世纪50年代问世以来已经发展成了一个大的家族，它的主要成员有单向晶闸管，双向晶闸管，光控晶闸管，逆导晶闸管，可关断晶闸管，快速晶闸管，等等。晶闸管是一种大功率半导体器件，它的最大特点是容量大，电压高，损耗小，控制灵便，是大功率变频技术较理想器件。

2.晶闸管的结构与工作原理

2.1晶闸管的结构

它有三个电极，螺旋那一端是阳极a的引出端，并利用它与散热器固定；另一较粗的引线为阴极k，较细的引线则为控制极g。容量更大的晶闸管一般采用平板式，可带风冷或水冷散热器，容量较小的晶闸管与大功率二极管外形相似，只是多了一个控制极。晶闸管的内部结构由PNPN四层半导体构成，中间形成三个PN结：J1，J2，J3.从下面的P1层引出阳极，从上层引出阴极，由中间的P2层引出控制极。

晶闸管就如二极管一样，具有单向导电特性，电流只能从阳极流向阴极，当元件加以反向电压，只有极小的反向漏电流从阴极流向阳极，晶闸管处于反向阻断状态.

晶闸管不同于二极管，还具有正向导通的可控特性。当元件加上正向电压时，元件还不能导通，呈正向阻断状态，这是二极管所不具有的。

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2.2晶闸管的工作原理

晶闸管在工作过程中，阳极A，阴极K和电源，负载相连，组成了晶闸管的主电路，门板G，阴极K和控制装置相连，组成了晶闸管的控制电路(或称触发电路)。当阳―阴极间加正向电压VAK(EA)，同时控制栅极―阴极间加正向电压VGK(EG)时，就产生控制极电流IG(即IB2)，经T2放大后，形成集电极电流IC2=β2*IB2，这个电流又是T1的基极电流，即，IB1=IC2同样经T1放大，产生集电极电流IC1=β1*β2*IB2，此电流又作为T2的基极电流再行放大，如此循环往复，形成正反馈过程，从而使晶闸管完全导通(电流的大小由外加电源电压和负载电阻决定)这个导通过程是在极短的时间内完成的，一般不超过几微秒，称为触发导通过程。导通后即使去掉EG，晶闸管依靠自身的正反馈作用仍然可以维持导通.并成为不可控.因此，EG只起触发导通的作用，一经触发后，EG不管存在与否，晶闸管仍将导通。

导通时，晶闸管的正向压降一般约为0.6～1.2V。值得注意的是，如果因外电路负载电阻增加或电源电压EA减小使阳极电流降低到小于某一数值IH时，则使T1和T2管脱离饱和状态，即T1和T2管的集电极―发射极压降增高，使阳极电流进一步减小，形成正反馈.最终使T1和T2管截止，即晶闸管呈阻断状态。因此称IH为最小维持电流.若已导通的晶闸管的外加电压降到零或切断电源，则阳极电流降到零，晶闸管即自行阻断。

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3.晶闸管在大功率变频技术中的应用

晶闸管在大功率变频技术中的应用主要是进行电力变换及控制，按其功能有以下几种类型：

(1)可控整流

利用晶闸管单向导电的可控性，把交流电整流成电压可调的直流电。这种可调的直流电源，广泛地应用于电解，电镀，充电，励磁，及合闸操作电源等领域。另一个主要用这是做成直流拖动的调速装置。以往对于要求调速或起制动性能较高的拖动装置，一般均采用电动机—发电机变流机组来得到可控直流电压，以实现控制要求.晶闸管问世以后，静止的可控整流装置，以它一系列的优点代替了机组，并可得到更佳的静态及动态指标。在海上石油钻井平台，目前从电动机，到各中小型辅助机械的直流电动机中，均采用晶闸管供电或励磁的调速装置。

(2)逆变与变频利

用晶闸管的特性，相宜流变换成交流的过程称为逆变，将某一频率的交流变换成其它各种领率的交流的过程称为变频。整流，逆变，变频常常是结合在一起，或者联合远用的.电流，电压通过这些变换。常做成中频(400-8000Hz)加热电源，用于熔炼，透热，淬火，焊接.现在最经济的长途高压直流输电，就是将交流整流成直流输送，然后，再将直流逆变成交流供人使用。另一个应用是对交流电机进行调速，如海上石油钻井平台电网串级调

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速和变频调速中使用的各种形式的变频装置等。这是目前的技术发展方向，国外的交流调违拖动装置发展非常迅速。

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