?一、 晶閘管基本知識

??晶閘管(Thyristor)是晶體閘流管的簡稱，又可稱做可控硅整流器，以前被簡稱為可控硅;1957年美國通用電器公司開發(fā)出晶閘管產(chǎn)品，并于1958年使其商業(yè)化;晶閘管是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，它有三個極：陽極，陰極和門極;晶閘管工作條件為：加正向電壓且門極有觸發(fā)電流。其派生器件有：快速晶閘管，雙向晶閘管，逆導(dǎo)晶閘管，光控晶閘管等。它是一種大功率開關(guān)型半導(dǎo)體器件，在電路中用文字符號為“V”、“VT”表示(舊標(biāo)準(zhǔn)中用字母“SCR”表示)。 晶閘管具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過程可以控制，被廣泛應(yīng)用于可控整流、交流調(diào)壓、無觸點電子開關(guān)、逆變及變頻等電子電路中。 1、晶閘管分類

??(1)按關(guān)斷、導(dǎo)通及控制方式分類 晶閘管按其關(guān)斷、導(dǎo)通及控制方式可分為普通晶閘管、雙向晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、門極關(guān)斷晶閘管(GTO)、BTG晶閘管、溫控晶閘管和光控晶閘管等多種。

??(2)按引腳和極性分類 晶閘管按其引腳和極性可分為二極晶閘管、三極晶閘管和四極晶閘管。

??(3)按封裝形式分類 晶閘管按其封裝形式可分為金屬封裝晶閘管、塑封晶閘管和陶瓷封裝晶閘管三種類型。其中，金屬封裝晶閘管又分為螺栓形、平板形、圓殼形等多種;塑封晶閘管又分為帶散熱片型和不帶散熱片型兩種。

??(4)按電流容量分類 晶閘管按電流容量可分為大功率晶閘管、中功率晶閘管和小功率晶閘管三種。通常，大功率晶閘管多采用金屬殼封裝，而中、小功率晶閘管則多采用塑封或陶瓷封裝。

??(5)按關(guān)斷速度分類 晶閘管按其關(guān)斷速度可分為普通晶閘管和高頻(快速)晶閘管。

??2、晶閘管工作條件

??由于晶閘管只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài),所以它具有開關(guān)特性,這種特性需要一定的條件才能轉(zhuǎn)化,此條件如表1所示。

??表1 晶閘管工作條件 狀態(tài) 條件 說明 從關(guān)斷到導(dǎo)通

??(1)陽極電位高于陰極電位

??(2)門極有足夠的正向電壓和電流 兩者缺一不可 維持導(dǎo)通 (1)陽極電位高于陰極電位 (2)陽極電流大于維持電流 兩者缺一不可 從導(dǎo)通到關(guān)斷 (1)陽極電位低于陰極電位 (2)陽極電流小于維持電流 任一條件即可 二、晶閘管在高壓軟起動中的應(yīng)用 隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，高壓電動機的數(shù)量不斷增加。由于大電機直接起動時的電流為額定電流的5～7倍，而啟動轉(zhuǎn)矩只有額定轉(zhuǎn)矩的0.4～1.6倍。它在電網(wǎng)條件(電機啟動時的電網(wǎng)壓降小于10%)和工藝條件(啟動轉(zhuǎn)矩滿足)允許的情況下，可以直接啟動。但過大的啟動電流、過小的啟動轉(zhuǎn)矩和過長的啟動時間給電機和電網(wǎng)造成了極大的危害。因此，必須在電源和電機之間串入軟起動器來解決這些問題。 晶閘管電機固態(tài)軟起動器(以下簡稱高壓軟啟動)的出現(xiàn)，很好的解決了以上問題，它彌補了傳統(tǒng)軟起動器的各種不足，很好地降低了電機的起動電流，降低了配電容量，延長了電機及相關(guān)設(shè)備的使用壽命，并且起停方式及參數(shù)可視負(fù)載調(diào)整等優(yōu)點，具有較佳起停性能。 1、晶閘管電機軟起動器工作原理 晶閘管在高壓軟啟動中的應(yīng)用是一種利用晶閘管進行交流調(diào)壓的應(yīng)用。利用晶閘管可以相控改變晶閘管導(dǎo)通的相位角來調(diào)節(jié)電壓。 晶閘管移相式軟起動器是改變正弦交流電壓的波形，使之變?yōu)榉钦颐}沖式交流電，通過調(diào)節(jié)其占空比，如圖2所示。 注釋： (1)α ：控制角。指觸發(fā)脈沖的加入時間。 (2 ) ：導(dǎo)通角。每半個周期晶閘管導(dǎo)通角度。控制角越大，導(dǎo)通角越小，它們的和為定值α+ = 。它改變交流電的平均電壓，其平均電壓是可控的、平滑變化的。 圖2 移相式調(diào)壓 2、晶閘管的保護 晶閘管是高壓軟啟動中最關(guān)鍵的功率器件，整機裝置是否工作可靠與晶閘管是否可靠工作有很大的關(guān)系。而晶閘管存在著承受過電壓、過電流的能力很差問題， 晶閘管的熱容量很小，一旦發(fā)生過電流時，溫度急劇上升，可能將PN結(jié)燒壞，造成元件內(nèi)部短路或開路。例如一只100A的晶閘管過電流為400A時，僅允許持續(xù)0.02s，否則將因過熱而損壞; 晶閘管耐受過電壓的能力極差，電壓超過其反向擊穿電壓時，即使時間極短，也容易損壞。若正向電壓超過轉(zhuǎn)折電壓時，則晶閘管誤導(dǎo)通，導(dǎo)通后的電流較大，使器件受損。 2.1 晶閘管的過壓保護 在晶閘管兩端并聯(lián)R-C阻容吸收回路，如圖3所示，利用電容吸收過壓。其實質(zhì)就是將造成過電壓的能量變成電場能量儲存到電容中,然后釋放到電阻中消耗掉。 晶閘管從導(dǎo)通到阻斷時，和開關(guān)電路一樣，因線路電感(主要是變壓器漏感LB)釋放能量會產(chǎn)生過電壓。由于晶閘管在導(dǎo)通期間，載流子充滿元件內(nèi)部，所以元件在關(guān)斷過程中，正向電壓下降到零時，內(nèi)部仍殘存著載流子。這些積蓄的載流子在反向電壓作用下瞬時出現(xiàn)較大的反向電流，使積蓄載流子迅速消失，這時反向電流消失的極快，即di/dt極大。因此即使和元件串連的線路電感L很小，電感產(chǎn)生的感應(yīng)電勢L(di/dt)值仍很大，這個電勢與電源電壓串聯(lián)，反向加在已恢復(fù)阻斷的元件上，可能導(dǎo)致晶閘管的反向擊穿。這種由于晶閘管關(guān)斷引起的過電壓，稱為關(guān)斷過電壓，其數(shù)值可達工作電壓峰值的5～6倍，所以必須采取抑制措施。 阻容吸收電路中電容器把過電壓的電磁能量變成靜電能量存貯，電阻防止電容與電感產(chǎn)生諧振、限制晶閘管開通損耗與電流上升率。這種吸收回路能抑制晶閘管由導(dǎo)通到截止時產(chǎn)生的過電壓，有效避免晶閘管被擊穿。 阻容吸收電路安裝位置要盡量靠近模塊主端子，即引線要短。最好采用無感電阻，以取得較好的保護效果。 圖3 阻容吸收 2.2 晶閘管的動穩(wěn)態(tài)均壓保護 晶閘管串聯(lián)使用均壓問題就十分重要，而均壓又分為動態(tài)均壓和靜態(tài)(穩(wěn)態(tài))均壓。靜態(tài)均壓指的是電路穩(wěn)定運行時候每個晶閘管承受的電壓相等，而動態(tài)均壓指的是在開和關(guān)的過程中，由于每個晶閘管的制造工藝的差別，即使是同一廠家的同一型號的晶閘管，都存在觸發(fā)能力的不同，造成開關(guān)時間或者性能也是有差異的，這些原因造成IGBT在開關(guān)的過程中必然會出現(xiàn)開關(guān)速度的不一致，如果兩個串聯(lián)的IGBT兩端的電壓一定的話，那么先開通的IGBT兩端電壓先降下來，后開通的那個IGBT必然會承受幾乎全部的電壓。關(guān)斷時也類似，這就是晶閘管串聯(lián)運行時候的動態(tài)均壓問題，WDGRQ系列軟起動針對這種問題，開發(fā)了獨特的動態(tài)均壓保護技術(shù)，確保了串聯(lián)的晶閘管導(dǎo)通和關(guān)閉的一致性。 2.3 晶閘管的過熱保護 晶閘管在電流通過時，會產(chǎn)生一定的壓降，而壓降的存在則會產(chǎn)生一定的功耗，電流越大則功耗越大，產(chǎn)生的熱量也就越大，如果不把這些熱量快速散掉，會造成燒壞晶閘管芯片的問題，因此散熱條件的好壞，是影響模塊能否安全工作的重要因素，良好的散熱條件不但能夠保證模塊可靠工作、防止模塊過熱燒毀，而且能夠提高模塊的電流輸出能力。 所有高壓軟啟動使用晶閘管模塊時，一般采用安裝散熱器來實現(xiàn)過熱保護，因此散熱器的選型將直接影響高壓軟啟動的可靠性及起動次數(shù)，WDGRQ系列軟起動在設(shè)計過程中使用FloTHERM軟件對散熱器散熱效果進行仿真優(yōu)化設(shè)計，確保了散熱器能可靠的實現(xiàn)對晶閘管的過熱保護。