晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理及其在大功率變頻技術(shù)中的應(yīng)用

　　1.前言

　　晶閘管又叫可控硅(SCR).自從20世紀(jì)50年代問世以來已經(jīng)發(fā)展成了一個(gè)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(dǎo)晶閘管，可關(guān)斷晶閘管，快速晶閘管，等等.晶閘管是一種大功率半導(dǎo)體器件，它的最大特點(diǎn)是容量大，電壓高，損耗小，控制靈便.是大功率變頻技術(shù)較理想器件.

　　2.晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理

　　2.1晶閘管的結(jié)構(gòu)它有三個(gè)電極，螺旋那一端是陽極a的引出端，并利用它與散熱器固定；另一較粗的引線為陰極k，較細(xì)的引線則為控制極g.容量更大的晶閘管一般采用平板式，可帶風(fēng)冷或水冷散熱器，容量較小的晶閘管與大功率二極管外形相似，只是多了一個(gè)控制極.晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由PNPN四層半導(dǎo)體構(gòu)成，中間形成三個(gè)PN結(jié)：J1，J2，J3.從下面的P1層引出陽極，從上層引出陰極，由中間的P2層引出控制極.

　　晶閘管就如二極管一樣，具有單向?qū)щ娞匦?，電流只能從陽極流向陰極，當(dāng)元件加以反向電壓，只有極小的反向漏電流從陰極流向陽極，晶閘管處于反向阻斷狀態(tài).

　　晶閘管不同于二極管，還具有正向?qū)ǖ目煽靥匦?當(dāng)元件加上正向電壓時(shí)，元件還不能導(dǎo)通，呈正向阻斷狀態(tài)，這是二極管所不具有的.

　　2.2晶閘管的工作原理

　　晶閘管在工作過程中，陽極A，陰極K和電源，負(fù)載相連，組成了晶閘管的主電路，門板G，陰極K和控制裝置相連，組成了晶閘管的控制電路(或稱觸發(fā)電路).當(dāng)陽―陰極間加正向電壓VAK(EA)，同時(shí)控制柵極―陰極間加正向電壓VGK(EG)時(shí)，就產(chǎn)生控制極電流IG(即IB2)，經(jīng)T2放大后，形成集電極電流IC2=β2*IB2，這個(gè)電流又是T1的基極電流，即，IB1=IC2同樣經(jīng)T1放大，產(chǎn)生集電極電流IC1=β1*β2*IB2，此電流又作為T2的基極電流再行放大，如此循環(huán)往復(fù)，形成正反饋過程，從而使晶閘管完全導(dǎo)通(電流的大小由外加電源電壓和負(fù)載電阻決定)這個(gè)導(dǎo)通過程是在極短的時(shí)間內(nèi)完成的，一般不超過幾微秒，稱為觸發(fā)導(dǎo)通過程.導(dǎo)通后即使去掉EG，晶閘管依靠自身的正反饋?zhàn)饔萌匀豢梢跃S持導(dǎo)通.并成為不可控.因此，EG只起觸發(fā)導(dǎo)通的作用，一經(jīng)觸發(fā)后，EG不管存在與否，晶閘管仍將導(dǎo)通.

　　導(dǎo)通時(shí)，晶閘管的正向壓降一般約為0.6～1.2V.值得注意的是，如果因外電路負(fù)載電阻增加或電源電壓EA減小使陽極電流降低到小于某一數(shù)值IH時(shí)，則使T1和T2管脫離飽和狀態(tài)，即T1和T2管的集電極―發(fā)射極壓降增高，使陽極電流進(jìn)一步減小，形成正反饋.最終使T1和T2管截止，即晶閘管呈阻斷狀態(tài).因此稱IH為最小維持電流.若已導(dǎo)通的晶閘管的外加電壓降到零或切斷電源，則陽極電流降到零，晶閘管即自行阻斷.　　3.晶閘管在大功率變頻技術(shù)中的應(yīng)用

　　晶閘管在大功率變頻技術(shù)中的應(yīng)用主要是進(jìn)行電力變換及控制，按其功能有以下幾種類型：

　　(1)可控整流

　　利用晶閘管單向?qū)щ姷目煽匦?，把交流電整流成電壓可調(diào)的直流電.這種可調(diào)的直流電源，廣泛地應(yīng)用于電解，電鍍，充電，勵(lì)磁，及合閘操作電源等領(lǐng)域.另一個(gè)主要用這是做成直流拖動(dòng)的調(diào)速裝置.以往對(duì)于要求調(diào)速或起制動(dòng)性能較高的拖動(dòng)裝置，一般均采用電動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)變流機(jī)組來得到可控直流電壓，以實(shí)現(xiàn)控制要求.晶閘管問世以后，靜止的可控整流裝置，以它一系列的優(yōu)點(diǎn)代替了機(jī)組，并可得到更佳的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)指標(biāo).在海上石油鉆井平臺(tái)，目前從電動(dòng)機(jī)，到各中小型輔助機(jī)械的直流電動(dòng)機(jī)中，均采用晶閘管供電或勵(lì)磁的調(diào)速裝置.

　　(2)逆變與變頻利

　　用晶閘管的特性，相宜流變換成交流的過程稱為逆變，將某一頻率的交流變換成其它各種領(lǐng)率的交流的過程稱為變頻.整流，逆變，變頻常常是結(jié)合在一起，或者聯(lián)合遠(yuǎn)用的.電流，電壓通過這些變換.常做成中頻(400-8000Hz)加熱電源，用于熔煉，透熱，淬火，焊接.現(xiàn)在最經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)途高壓直流輸電，就是將交流整流成直流輸送，然后，再將直流逆變成交流供人使用.另一個(gè)應(yīng)用是對(duì)交流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，如海上石油鉆井平臺(tái)電網(wǎng)串級(jí)調(diào)速和變頻調(diào)速中使用的各種形式的變頻裝置等.這是目前的技術(shù)發(fā)展方向，國(guó)外的交流調(diào)違拖動(dòng)裝置發(fā)展非常迅速.