1、內容摘要現在可控硅以體積小開關頻率高等優點被廣泛應用于各種強電的控制電路中，從而實現了弱電對強電的控制。本文介紹了交流電用晶閘管控制的兩種方法：移相觸發和過零觸發并比較了他們各自的優點。我們首先介紹了晶閘管的工作原理及參數的選取，并通過分析各種控制電路比較兩種控制的差異，并介紹了使用時應注意的問題，即如何保護晶閘管。最后主要介紹了各種實用的觸發電路。目錄概述 2第一章 晶閘管簡介 31.1晶閘管的結構 31.2晶閘管的工作原理 31.3晶閘管的伏安特性 41.4晶閘管的主要參數 51.5晶閘管的型號及簡單測試方法 6第二章晶閘管的觸發電路 72.1對觸發電路的要求 72.2單結晶閘管觸發電路研

2、究 72.3常用三相調壓形勢及特點 11第三章晶閘管移相觸發電路 133.1移相控制原理 133.2移相觸發具體應用 133.3移相觸發的優缺點 13第四章 晶閘管過零觸發電路 144.1過零控制原理 144.2過零觸發具體應用 144.3過零觸發的優缺點 21第五章晶閘管電路的保護 22 22產生過電壓的原因及其抑制措施 22產生過電流的原因及其抑制措施 25第六章晶閘管設計的常遇問題解析 29心得體會 30附錄各種實用晶閘管控制電路31概述隨著自動控制的開展，用弱電控制強電越來越有必要，怎樣隔離成為人們必須考慮的，可控硅成功地實現了弱信號對強電(輸出端負載電壓)的控制。可控硅是一種新型的半

3、導體器件，它具有體積小、重量輕、效率高、壽命長、動作快以及使用方便等優點，目前交流調壓器多采用可控硅調壓器，這些優點是繼電器無法比較的。交流調壓的方法有很多，我們可以通過可變變比的變壓器來改變輸出的電壓，還可以通過電阻分壓等許多方法。但我們必須成認用變壓器實現起來笨重，假設減小變壓器的規格那么功率又成為另一問題，電阻分壓方式簡單易行但浪費能源都是不適宜的。所以我們大多數采用可控硅來調節交流電壓從而到達我們的目的。第一章晶閘管簡介一晶閘管的結構 晶閘管是一種大功率半導體變流器件， 它具有三個PN結的四層結構，其外形、 結構和圖形符號如圖1-1所示。由最外的P1層和N2層引出兩個電極，分別為陽極A

4、和陰極K，由中間P2層引出的電極是門極G也稱控制極。 圖1-1晶閘管的外形、 結構和圖形符號(a) 外形； (b) 結構； (c) 圖形符號常用的晶閘管有螺栓式和平板式兩種外形，如圖1-1(a)所示。晶閘管在工作過程中會因損耗而發熱，因此必須安裝散熱器。螺栓式晶閘管是靠陽極螺栓擰緊在鋁制散熱器上， 可自然冷卻；平板式晶閘管由兩個相互絕緣的散熱器夾緊晶閘管， 靠冷風冷卻。 額定電流大于200 A的晶閘管都采用平板式外形結構。此外，晶閘管的冷卻方式還有水冷、油冷等。 二晶閘管的工作原理晶閘管導通必須同時具備兩個條件： 1 晶閘管主電路加正向電壓。 2 晶閘管控制電路加適宜的正向電壓。 為了進一步說

5、明晶閘管的工作原理，可把晶閘管看成是由一個PNP型和一個NPN型晶體管連接而成的，連接形式如圖1-2所示。陽極A相當于PNP型晶體管V1的發射極，陰極K相當于NPN型晶體管V2的發射極。 圖 1-2 晶閘管工作原理等效電路當晶閘管陽極承受正向電壓，控制極也加正向電壓時， 晶體管V2處于正向偏置，EC產生的控制極電流IG就是2的基極電流IB2，V2的集電極電流IC2 =2 IG 。而IC2 又是晶體管1的基極電流，1的集電極電流IC1=1IC2 =12 IG 1和2分別是1和V2的電流放大系數。電流IC1又流入V2的基極， 再一次放大。這樣循環下去，形成了強烈的正反響，使兩個晶體管很快到達飽和導

6、通，這就是晶閘管的導通過程。導通后， 晶閘管上的壓降很小，電源電壓幾乎全部加在負載上，晶閘管中流過的電流即負載電流。在晶閘管導通之后，它的導通狀態完全依靠管子本身的正反響作用來維持， 即使控制極電流消失，晶閘管仍將處于導通狀態。因此， 控制極的作用僅是觸發晶閘管使其導通，導通之后，控制極就失去了控制作用。 要想關斷晶閘管， 最根本的方法就是必須將陽極電流減小到使之不能維持正反響的程度，也就是將晶閘管的陽極電流減小到小于維持電流。 可采用的方法有： 將陽極電源斷開； 改變晶閘管的陽極電壓的方向， 即在陽極和陰極間加反向電壓。 三晶閘管的伏安特性晶閘管陽極與陰極間的電壓UA和陽極電流IA的關系稱為

7、陽極伏安特性， 正確使用晶閘管必須要了解其伏安特性。 圖1-3所示即為晶閘管陽極伏安特性曲線， 包括正向特性第一象限和反向特性第三象限兩局部。 圖 1-3 晶閘管陽極伏安特性曲線晶閘管的正向特性又有阻斷狀態和導通狀態之分。在正向阻斷狀態時， 晶閘管的伏安特性是一組隨門極電流IG的增加而不同的曲線簇。當IG =0時，逐漸增大陽極電壓UA，只有很小的正向漏電流，晶閘管正向阻斷；隨著陽極電壓的增加，當到達正向轉折電壓UBO時，漏電流突然劇增，晶閘管由正向阻斷突變為正向導通狀態。 這種在IG =0時，依靠增大陽極電壓而強迫晶閘管導通的方式稱為“硬開通。屢次“硬開通會使晶閘管損壞，因此通常不允許這樣做。

8、隨著門極電流IG的增大，晶閘管的正向轉折電壓UBO迅速下降，當 IG足夠大時，晶閘管的正向轉折電壓很小，可以看成與一般二極管一樣，只要加上正向陽極電壓，管子就導通了。 晶閘管正向導通的伏安特性與二極管的正向特性相似，即當流過較大的陽極電流時， 晶閘管的壓降很小。 晶閘管正向導通后，要使晶閘管恢復阻斷，只有逐步減小陽極電流IA，使IA下降到小于維持電流IH維持晶閘管導通的最小電流，那么晶閘管又由正向導通狀態變為正向阻斷狀態。 圖1-3中各物理量的含義如下： UDRM、 URRM正、 反向斷態重復峰值電壓； UDSM、URSM正、 反向斷態不重復峰值電壓； UBO正向轉折電壓； URO反向擊穿電壓

9、。 晶閘管的反向特性與一般二極管的反向特性相似。在正常情況下，當承受反向陽極電壓時，晶閘管總是處于阻斷狀態，只有很小的反向漏電流流過。當反向電壓增加到一定值時，反向漏電流增加較快，再繼續增大反向陽極電壓會導致晶閘管反向擊穿， 造成晶閘管永久性損壞，這時對應的電壓為反向擊穿電壓URO。 四晶閘管的主要參數一 正向重復峰值電壓UDRM在控制極斷路和晶閘管正向阻斷的條件下，可重復加在晶閘管兩端的正向峰值電壓稱為正向重復峰值電壓UDRM。一般規定此電壓為正向轉折電壓UBO的80%。 二反向重復峰值電壓URRM 在控制極斷路時，可以重復加在晶閘管兩端的反向峰值電壓稱為反向重復峰值電壓URRM。此電壓取反

10、向擊穿電壓URO的80%。 三 通態平均電流IV(AV) 在環境溫度小于40和標準散熱及全導通的條件下， 晶閘管可以連續導通的工頻正弦半波電流平均值稱為通態平均電流IV(AV)或正向平均電流，通常所說晶閘管是多少安就是指這個電流。 四維持電流IH和掣住電流IL在室溫且控制極開路時，維持晶閘管繼續導通的最小電流稱為維持電流IH。維持電流大的晶閘管容易關斷。維持電流與元件容量、結溫等因素有關，同一型號的元件其維持電流也不相同。五 晶閘管的開通與關斷時間1 開通時間tgt 一般規定：從門極觸發電壓前沿的10%到元件陽極電壓下降至10%所需的時間稱為開通時間tgt ，普通晶閘管的tgt約為6 s。開通

11、時間與觸發脈沖的陡度大小、結溫以及主回路中的電感量等有關。為了縮短開通時間，常采用實際觸發電流比規定觸發電流大35倍、前沿陡的窄脈沖來觸發，稱為強觸發。另外， 如果觸發脈沖不夠寬， 晶閘管就不可能觸發導通。一般說來， 要求觸發脈沖的寬度稍大于tgt ，以保證晶閘管可靠觸發。 2關斷時間tq 晶閘管導通時，內部存在大量的載流子。晶閘管的關斷過程是： 當陽極電流剛好下降到零時，晶閘管內部各PN結附近仍然有大量的載流子未消失，此時假設馬上重新加上正向電壓， 晶閘管仍會不經觸發而立即導通，只有再經過一定時間，待元件內的載流子通過復合而根本消失之后，晶閘管才能完全恢復正向阻斷能力。我們把晶閘管從正向陽極

12、電流下降為零到它恢復正向阻斷能力所需要的這段時間稱為關斷時間tq。 晶閘管的關斷時間與元件結溫、關斷前陽極電流的大小以及所加反壓的大小有關。普通晶閘管的tq約為幾十到幾百微秒。 六 通態電流臨界上升率di/dt 門極流入觸發電流后，晶閘管開始只在靠近門極附近的小區域內導通，隨著時間的推移，導通區才逐漸擴大到PN結的全部面積。如果陽極電流上升得太快，那么會導致門極附近的PN結因電流密度過大而燒毀，使晶閘管損壞。因此，對晶閘管必須規定允許的最大通態電流上升率，稱通態電流臨界上升率di/dt。 七 斷態電壓臨界上升率du/dt晶閘管的結面積在阻斷狀態下相當于一個電容，假設突然加一正向陽極電壓， 便會

13、有一個充電電流流過結面，該充電電流流經靠近陰極的PN結時，產生相當于觸發電流的作用，如果這個電流過大，將會使元件誤觸發導通，因此對晶閘管還必須規定允許的最大斷態電壓上升率。我們把在規定條件下，晶閘管直接從斷態轉換到通態的最大陽極電壓上升率稱為斷態電壓臨界上升率du/dt。 五晶閘管的型號及簡單測試方法 一 晶閘管的型號 二晶閘管的簡單測試方法 對于晶閘管的三個電極，可以用萬用表粗測其好壞。依據PN結單向導電原理，用萬用表歐姆擋測試元件的三個電極之間的阻值，可初步判斷管子是否完好。如用萬用表R×1 k 擋測量陽極A和陰極K之間的正、反向電阻都很大，在幾百千歐以上，且正、反向電阻相差很小

14、；用R×10或R×100擋測量控制極G和陰極K之間的阻值，其正向電阻應小于或接近于反向電阻，這樣的晶閘管是好的。如果陽極與陰極或陽極與控制極間有短路，陰極與控制極間為短路或斷路， 那么晶閘管是壞的。 第二章 晶閘管觸發電路一對觸發電路的要求晶閘管的型號很多，其應用電路種類也很多，不同的晶閘管型號、不同的晶閘管應用電路對觸發信號都會有不同的具體要求。歸納起來， 晶閘管觸發主要有移相觸發、過零觸發和脈沖列調制觸發等。不管是哪種觸發電路， 對它產生的觸發脈沖都有如下要求： 1 觸發信號可為直流、交流或脈沖電壓。由于晶閘管觸發導通后，門極觸發信號即失去控制作用，為了減小門極的損耗，

15、一般不采用直流或交流信號觸發晶閘管，而廣泛采用脈沖觸發信號2 觸發脈沖應有足夠的功率。觸發脈沖的電壓和電流應大于晶閘管要求的數值，并留有一定的裕量。觸發功率的大小是決定晶閘管元件能否可靠觸發的一個關鍵指標。 由于晶閘管元件門極參數的分散性很大，隨溫度的變化也大，為使所有合格的元件均能可靠觸發，可參考元件出廠的試驗數據或產品目錄來設計觸發電路的輸出電壓和電流值。 (3 觸發脈沖應有一定的寬度，脈沖的前沿盡可能陡， 以使元件在觸發導通后，陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導通。普通晶閘管的導通時間約為6 s， 故觸發脈沖的寬度至少應有6s以上。對于電感性負載，由于電感會抵抗電流上升，因而觸發脈沖

16、的寬度應更大一些， 通常為1 ms。 此外，某些具體的電路對觸發脈沖的寬度會有一定的要求，如后續將要討論的三相全控橋等電路的觸發脈沖寬度要求大于 60°或采用雙窄脈沖。為了快速可靠地觸發大功率晶閘管，常在觸發脈沖的前沿疊加上一個強觸發脈沖，強觸發電流的幅值igm可達最大觸發電流的5倍。 4 觸發脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步，脈沖移相范圍必須滿足電路要求。為保證控制的規律性，要求晶閘管在每個陽極電壓周期都必須在相同的控制角觸發導通，這就要求觸發脈沖的頻率與陽極電壓的頻率一致，且觸發脈沖的前沿與陽極電壓應保持固定的相位關系，這叫做觸發脈沖與陽極電壓同步。不同的電路或者相同的電路在不同負

17、載、不同用途時，要求的變化范圍移相范圍亦即觸發脈沖前沿與陽極電壓的相位變化范圍不同， 所用觸發電路的脈沖移相范圍必須能滿足實際的需要。二單結晶體管觸發電路研究圖 2-1 單結晶體管觸發電路及其波形(a) 電路； (b) 波形一 同步電源同步電壓由變壓器TB獲得， 而同步變壓器與主電路接至同一電源， 故同步電壓與主電壓同相位，同頻率。同步電壓經橋式整流再經穩壓管VDW削波為梯形波uVDW，它的最大值UW，uVDW既是同步信號，又是觸發電路的電源。當uVDW過零時，單結晶體管的電壓UBB= uVDW =0，UA=0，故電容C經單結晶體管的發射極E、第一基極B1、電阻R1迅速放電。也就是說， 每半周

18、開始，電容C都根本上從零開始充電，進而保證每周期觸發電路送出一個距離過零時刻一致的脈沖。距離過零時刻一致即控制角在每個周期相同，這樣就實現了同步。二 移相控制 當調節電阻RP增大時，單結晶體管充電到峰點電壓Up的時間(即充電時間)增大，第一個脈沖出現的時刻后移，即控制角增大，實現了移相。 三 脈沖輸出 觸發脈沖由R1直接取出，這種方法簡單、經濟， 但觸發電路與主電路有直接的電聯系，不平安。 可以采用脈沖變壓器輸出來改良這一觸發電路。利用單結晶體管的負阻特性和RC電路的充放電特性，可以組成單結晶體管自激振蕩電路。1電源接通后，E通過電阻Re對電容C充電，充電時間常數為ReC；2當電容電壓到達單結

19、晶體管的峰點電壓UP時，單結晶體管進入負阻區，并很快飽和導通，電容C通過eb1結向電阻R1放電，在R1上產生脈沖電壓uR1。3此后C又開始下一次充電，重復上述過程。由于放電時間常數(R1+ rb1)C遠遠小于充電時間常數ReC，故在電容兩端得到的是鋸齒波電壓，在電阻R1上得到的是尖脈沖電壓。圖2-2圖2-2所示單結晶管觸發電路可以實現與主回路的同步。這種觸發電路在中小型功率晶閘管整流電路中應用普遍，下面討論其工作原理。圖中下半局部是主回路，上半局部是單結晶管觸發電路。工作過程波形如圖2-2所示，交流電壓U3經橋式整流，變成脈動電壓Uab再經過限流電阻R3和穩壓管Dw構成的削波電路，變成梯形波電

20、壓Ucd，Ucd既是觸發電路的工作電壓，又是同步電壓。當交流電壓過零點時，Ucd為零，單結管的Ubb也為零，這時-1間的特性類似二極管，電容C可以迅速放電。因此每次電源電壓過零點后，電容均叢起始電壓從零開始充電。只要整定條件不變，交流電源每半周觸發電路發出第一個脈沖的時刻不變，于是晶閘管的控制角不變，從而實現了同步。觸發電路每次發出的脈沖，同時加到兩個晶閘管的控制極，第一個脈沖使承受正向陽極電壓的晶閘管觸發導通，由于晶閘管導通后控制極失去作用，因此 后面的脈沖都沒用，另一個晶閘管因陽極加反向電壓而不導通。觸發脈沖的移相通過改變Rs實現。當R減小時，振蕩周期Tg變短，第一個脈沖提前產生，晶閘管的

21、控制角減小，整流電路的輸出支流電壓增大。Rs的調節范圍確定了振蕩周期T的變化范圍，從而確定了移相范圍。這種觸發電路無法使晶閘管的控制角為零。單結晶體管的觸發電路有許多接線方式，舉例如圖2-3所示。圖2-3圖a是直接從晶閘管兩端取得電源電壓的觸發電路。晶閘管觸發導通后，觸發電路的工作電壓即消失，所以每次只送一個脈沖。圖b用直流電壓供電，用同步脈沖加在晶體管上使電容放電獲得同步。圖c是用脈沖變壓器輸出的接線方式。這種方式使觸發電路與主回路電氣隔離。與脈沖變壓器并聯的二極管用以抑制負脈沖輸出。圖d用晶體管代替電位器。改變直流輸入電壓Ust，就能改變第一個脈沖的產生時刻，從而改變晶閘管的控制角。如Us

22、t增大，那么I增大，電容充電速率加快，到達峰點電壓的時間變短，第一個脈沖發出早，晶閘管的控制角減小。這種電路可以實現自動調節，再帶反響的晶閘管晶閘管中用的較多。結論:單結晶體管觸發電路簡單，但是輸出功率小，脈沖窄，故只在中小功率晶閘管晶閘管中得到廣泛應用。在大功率晶閘管中，常用晶體管觸發電路。三. 常用三相調壓電路形式及特點 圖2-4常用三相調壓電路形式及特點第三章 晶閘管移相觸發電路一晶閘管移相觸發原理在觸發信號和被控信號沒有直接聯系，即觸發信號不能反響被控信號的狀態，而直接觸發晶閘管導通的過程。二晶閘管移相觸發應用因為它的觸發電路結構簡單，電路便于實現，所以被廣泛的應用于各種要求不是很高的

23、各種交流直流調壓設備中。如亮度可調式臺燈，電機轉速的控制，以及應用設計電壓可變直流電源等。通過設計簡單的觸發電路或定時電路來控制晶閘管的導通時間。圖3-1 簡單的臺燈亮度控制電路及波形R2是可調電阻，用來設計電容的充放電時間T=RC,當C1充電電壓大于晶閘管得觸發電壓時晶閘管導通，R1起到保護作用，當電源上正下負時C1充電，到通后正向電壓的一局部經負載形成回路；當電壓為負時，C方向充電，然后反向電流的一局部流經負載形成回路，控制R2電阻可控制電容充放電時間，可以調節交流的平均電壓。通過如圖從而控制燈泡的亮度。三移相觸發的優缺點電路設計簡單可靠性高便于排除故障一般要求不高的場合被廣泛應用。但電路

24、產生許多高次分量對電網進行了污染，并以電磁波的方式向外發送能量，對敏感元件干擾較大，不能應用在精密設備中。第四章 晶閘管過零觸發電路一晶閘管過零觸發原理所謂過零觸發即同步，是指把一個與主電路晶閘管所受電源電壓保持適宜相位關系的電壓提供應觸發電路，使得觸發脈沖的相位出現在被觸發晶閘管承受正向電壓的區間，確保主電路各晶閘管在每一個周期中按相同的順序和觸發延遲角被觸發導通。我們將提供應觸發電路適宜相位的電壓稱為同步信號電壓，正確選擇同步信號電壓與晶閘管主電壓的相位關系稱為同步或定相。過零觸發就是在電壓為零的附近觸發導通在設定的周期內改變晶閘管導通的周波數來實現交流調功率和調壓 克服了移相觸發產生的諧

25、波干擾。適于電熱負載一實現同步的方法1.由同一電網供電，保證電源頻率一致 2.選擇適宜的觸發電路 3.依據整流變壓器的聯結組標號、主電路 線路型式、負載性質確定觸發電路的同步電壓，并通過同步變壓器的正確連接加以實現。二晶閘管過零觸發應用圖4-1為過零觸發單相交流調功電路。交流電源電壓u以及V1和V2的觸發脈沖ug1、ug2的波形分別如圖4-2所示。由于各晶閘管都是在電壓u過零時加觸發脈沖的，因此就有電壓uo輸出。如果不觸發V1和V2，那么輸出電壓uo0。由于是電阻性負載，因此當交流電源電壓過零時，原來導通的晶閘管因其電流下降到維持電流以下而自行關斷，這樣使負載得到完整的正弦波電壓和電流。由于晶

26、閘管是在電源電壓過零的瞬時被觸發導通的，這就可以保證大大減小瞬態負載浪涌電流和觸發導通時的電流變化率di/dt，從而使晶閘管由于di/dt過大而失效或換相失敗的幾率大大減少。 圖 4-1 交流調功器(b) 三相交流調功器(a) 單相交流調功器 圖 4-2 單相交流零觸發開關電路的工作波形 如設定運行周期TC內的周波數為n，每個周波的頻率為50 Hz，周期為T20 ms，那么調功器的輸出功率P2為 TC應大于電源電壓一個周波的時間且遠遠小于負載的熱時間常數，一般取1 s左右就可滿足工業要求。 T電源的周期ms； n調功器運行周期內的導通周波數； PN額定輸出容量晶閘管在每個周波都導通時的輸出容量

27、； U2N每相的額定電壓V； I2N每相的額定電流A； kz導通比， , f為電源的頻率。 由輸出功率P的表達式可見，控制調功電路的導通比就可實現對被調對象(如電阻爐)的輸出功率的調節控制。 零壓強觸發電路有如下特點：1由于采用零壓觸發方式，所以負載上的電壓是完整的正弦波，不會產生高次諧波造成危害。2)采用時基集成電路NE555控制，電路簡單工作可靠，在固定的周期內，改變電壓周波數目，使輸出功率可以從零調到最大值3利用小功率可控硅觸發大功率可控硅，對參數不對稱，或觸發靈敏度低的大容量可控硅實行強觸發，可以保證可靠觸發，輸出電壓波形完整。本電路可以用于大功率單相負載，如電爐調溫電機調速等場合，并

28、且很容易參加反響環節形成自動控制。 圖4-3零壓強觸發電路電路如圖4-3所示，時基集成電路NE555接成自激多諧震蕩器，二極管D6,D7為定時電容C3提供獨立的充放電回路。這種接法，改變Rw的阻值，可以使3腳輸出高.低電平的時間，當一個增加另一個減少時，可以保證本電路的占空比從0.1%到99.9%可調，但周期固定不變，振蕩周期為0.7秒。3腳上B點電壓波形如圖2中Vb所示。圖4-4 波形圖 三極管BG1組成過零檢測電路并與555的輸出端配合形成過零觸發脈沖，原理如下：電源經全波整流以后，經二極管D5隔離，三端集成電路CW7812穩壓，為電路提供12伏的直流電源。A點的波形如圖4-4中Va所示同

29、時利用發光二極管LED的正向穩壓的特性，削波限幅后在D點得到約1.7伏的電壓，作為過零檢測電源，在這里，發光二極管兼作指示燈用。D點的波形如圖2中Vd所示。 當NE555的3腳輸出低電位時，顯然是不可能產生觸發脈沖的，作為強觸發的小功率可控硅SCR3不導通，所以電路沒有輸出功率，而當腳輸出高電位時，能否形成觸發脈沖，這要看的狀態。此時點的電位只高于.伏，BG1即進入飽和狀態，點變為低電位只有在電源電壓過零的各點上，截止，點才是高電位，也就是說只有在電源電壓過零的各點上，才能形成同步觸發脈沖，使SCR3導通，點的電壓波形如圖4-4中c所示。SCR1和SCR2是主回路中兩只大容量可控硅，當SCR3

30、被導通后，SCR1和SCR2在電源的正負半周期內分別被SCR3強制觸發，在負載R2上得到一完整的正弦波，過程如下：電源上正下負時，經R2D10SCR3R7D12觸發SCR1，電源下正上負時，經D8SCR3R7D11R2.由于采用電源電壓強觸發，觸發電流大，故靈敏可靠，同時可以看到，只要SCR1或SCR2一經導通。SCR3即自行關斷，所以R7上的功耗并不大。 這樣，只要調Rw的阻值，就可以改變555上高電位的時間，從而在固定的周期內，改變RL上的周波數，到達調功率的目的。 器件選擇：時基集成電路可以選用NE555，A555以及國產5G1555等，BG1可以選用3DK4，3DG12等管子，要求飽和

31、壓降Vces小于0.3伏。70，發光二極管可以選用紅色的，這類管子正向電壓在1.4到1.8伏左右，最好選用不超過1.7伏的。調試時可以用示波器觀察各點的波形，需符合圖4-4中的形狀。圖中二極管可選用2CP類管子。雙向可控硅由于其本身的導電性，與一般的可控硅一樣，非常適合在交流電路內做無觸點的開關，但與一般可控硅相比，其觸發電路要簡單的多，使用更方便，因此應用很廣泛。雙向可控硅的過零觸發方式，時可控硅只在過零瞬間獲得一個觸發脈沖而導通，這時電路內的電流將由零而逐漸增大。對導通的雙向可控硅，如果在交流電壓過零時沒有觸發脈沖，那么雙向可控硅會自動關斷。因此在過零觸發方式工作下的雙向可控硅電路內，電流

32、的變化不會發生大起大落，從而有效地消除了 一般可控硅電路內電流急劇變化而產生的波形畸變及輻射干擾等弊端。在微處理機化的實時控制系統中，抗干擾實非常重要的，當使用雙向可控硅作為電路控制器時，這種過零觸發方式是非常適宜的。一.晶閘管調功控制爐溫電路圖4-5中，由兩只晶閘管反并聯組成交流開關，該電路是一個包括控制電路在內的單相過零調功電路。由圖可見，負載是電爐，而過零觸發電路由鋸齒波發生器、信號綜合、直流開關、同步電壓與過零脈沖觸發五個環節組成。 該電路的工作原理簡述如下： 1 鋸齒波是由單結晶體管BT、R1、R2、R3、RW1和C1組成的張弛振蕩器產生的，然后經射極跟隨器V1、R4輸出。 圖 4-

33、5單相晶閘管過零調功電路2 控制電壓Uc與鋸齒波電壓進行電流疊加后送到V2的基極，合成電壓為Us。當Us0 時，V2導通; Us0時, V2截止。 3 由V2、V3以及R8、R9、VDW1組成一個直流開關，當V2的基電壓UBE200.7 V時，V2導通，V3的基極電壓UBE3接近零電位，V3截止，直流開關阻斷。當UBE20時，V2截止， 由R8、VDW1和R9組成的分壓電路使V3導通，直流開關導通。 4 由同步變壓器TC、整流橋VD1及R10、R11、VDW2組成一個削波同步電源，這個電源與直流開關的輸出電壓共同去控制V4與V5。只有在直流開關導通期間，V4、V5集電極和發射極之間才有工作電壓

34、，兩個管子才能工作。在此期間， 同步電壓每次過零時，V4截止，其集電極輸出一個正電壓， 使V5由截止轉導通，經脈沖變壓器輸出觸發脈沖，而此脈沖使晶閘管V6V7在需要導通的時刻導通。 在直流開關V3導通期間輸出連續的正弦波，控制電壓Uc的大小決定了直流開關導通時間的長短，也就決定了在設定周期內電路輸出的周波數，從而實現對輸出功率的調節。 顯然，控制電壓Uc越大，導通的周波數越多，輸出的功率就越大，電阻爐的溫度也就越高；反之，電阻爐的溫度就越低。 利用這種系統就可實現對電阻爐爐溫的控制。 圖 4-6 單相過零調功電路的工作波形二.KC04、KC41C組成的三相集成觸發電路如圖4-7所示，由三塊KC

35、04與一塊KC41C外加少量分立元器件，可以組成三相全控橋的集成觸發電路，它比分立元器件電路要簡單得多。1KC04移相觸發器KC04與分立元器件的鋸齒波觸發電路相似，也是由同步、鋸齒波形成、移相控制、脈沖形成及放大輸出等環節組成。該器件適用于單相、三相全控橋式裝置中作晶閘管雙路脈沖相控觸發。2KC41C六路雙脈沖形成器圖4-7為KC41C內部電路及外部接線圖。使用時，KC4lC與三塊KC04可組成三相全控橋的雙脈沖觸發電路。圖4-7 三相全控橋雙窄脈沖集成觸發電路三.數字觸發電路圖4-8為微機控制數字觸發系統組成框圖。圖中觸發延遲角設定值以數字形式通過 接口送給微機，微機以基準點作為計時起點開

36、始計數，當計數值與觸發延遲角對應的數值一 致時，微機就發出觸發信號，該信號經輸出脈沖放大，由隔離電路送至晶閘管。 圖4-8 微機控制數字觸發系統框圖1、系統工作原理(1).介紹定時器計數器T0、T1的原理(2).由前面講過的三相全控橋電路工作原理可知，該電路在一個工頻周期內，6只晶閘管的組合觸發順序為：6、l；l、2；2、3；3、4；4、5；5、6。假設系統采用雙脈沖觸發方式，那么每工頻周期要發出6對脈沖，為了使微機輸出的脈沖與晶閘管承受的電源電壓同步，必須設法在交流電源的每一周期產生一個同步基準信號，本系統采用線電壓過零點作為同步參考點。 電路工作時，設1為觸發延遲角，即第一對脈沖距離同步參

37、考點的電角度，后面每隔60°發一對脈沖，共發6對。各脈沖位置與時間關系如圖3-16b所示，設 t1=t1 tn=t1+(n-1) t60 式中 t11對應的時間； n 觸發脈沖序號， n =1、2、3、4、5、6 tn第n個脈沖對應的時間； t6060°所對應的時間。這種用前一個脈沖為基準來確定后一個脈沖形成時刻的方法，稱為相對觸發方式。本系統采用每一工頻周期取一次同步信號作為參考點，每一對觸發脈沖調整一次觸發延 遲角的方法，按輸出脈沖工作順序編寫的程序流程圖如圖3-17所示。本系統共使用3個中斷源，INT0為外部同步信號中斷，定時器T0、T1為計時中斷。其中T0僅完成對第

38、一對脈沖的計時，其他各對脈沖計時由T1完成。2、微機觸發系統的硬件設置系統硬件配置框圖如圖4-9所示。圖4-9 系統硬件配置框圖三晶閘管過零觸發優缺點同步電壓為鋸齒波的觸發電路抗干擾能力強，不受電網電壓波動與波 形畸變的直接影響，移相范圍寬。缺點是整流裝置的輸出電壓ud與控制電壓UC之間不成線性關系，且電路較復雜。第五章晶閘管電路的保護一、晶閘管保護的必要性整流電路以及其他大功率電路，在工作時都不可防止地會因各種原因在電路中產生電壓，電流的瞬變過程。這些瞬變過程將在電路的有關局部產生過電壓，過電流，或者過電壓上升率，過電流上升率。而晶閘管作為一種半導體器件即和其他器件相比，由于其運行電壓接近于

39、允許電壓，而且元件的熱時間常數小，所以耐受過電壓，過電壓的能力是極弱的。當電路中發生瞬變過程中所產生的過電壓，過電流，過大的電壓上升率和電流上升率作用到晶閘管上時。假設超出允許值就可能損壞元件或者嚴重影響其工作。當加于晶閘管上的反向電壓值超過其反向電壓不重復峰值電壓，而又沒有限流措施時，即使時間很短，也會使元件反向擊穿，造成永久性破壞，假設是正向電壓超過其斷態不重復峰值電壓，那么將使晶閘管發生轉折而導通，這是一種不正常的導通，在沒有限流措施情況下，大電流就會使晶閘管的結片局部過熱，使正向阻斷性能變壞。如果在晶閘管兩端突加一個正向電壓，盡管這個電壓大小并未超過元件的轉折電壓，但是電壓上升率很大也

40、會使晶閘管導通。這是因為硅片的PN結面在未導通時，相當于兩個靠的很近的極板形成一個電容。如果所加電壓的上升率很大，那么通過PN結的電容電壓將使晶閘管誤導通。和上述晶閘管正向轉折引起誤導通的情況一樣，會產生不需要的電流，從而造成對供電負載及晶閘管本身包括晶閘管自己的損害。與一般半導體元件相同，晶閘管元件的主要弱點是過電壓、 過電流的承受能力差。當施加在元件兩端的電壓超過其正向轉折或反向擊穿電壓時，即使時間很短也會導致元件損壞或使元件發生不應有的轉折導通，造成事故或使元件性能降低，留下隱患。 過電壓保護的目的是使元件在任何情況下不致受到超過元件所能承受的電壓的侵害, 因此必須采取有效措施消除和抑制

41、可能產生的各種過電壓。二、產生過電壓的原因及其抑制措施（一） 產生過電壓的原因1、 靜電感應過電壓（1） 變壓器接通時的過電壓晶閘管的變壓器是，但電源接通時的瞬間初級繞組的高電壓經過繞組之間的分布電容耦合之次級繞組，對原來是低壓側的次級來說就是一種過電壓。而且電壓上升率也很大 ，這種過電壓及其值很大的電壓上升率就可能危及接在變壓器次級的晶閘管。當過電壓為正向時，可能使晶閘管發生正向轉折或因為電壓上升率過大而誤導通。因為變壓器繞組之間的分布電容不大，所以在變壓器次級繞組上并接適當的電容就能顯著減小這種過電壓。此外也可以在變壓器中加一個屏蔽繞組，使之接地來削弱這種靜電感應。（2） 雷擊過電壓三相交

42、流架空明線有可能遭受雷擊，通常這種情況發生的雷擊過電壓也是一種靜電感應過電壓。這種過電壓雖然時機很少，但由于其能量很大，一旦發生，那么硅或晶閘管就極易被擊穿損壞。尤其是后者更易損壞。因此，在可能有雷擊的地區應該在變壓器初級到進線處裝設一個避雷器。但由于經避雷器后的剩余能量一般還比較大，而晶閘管的耐壓能力有限，所以常常在初級側接瞬間高電壓吸收電路。2、 電感回路電流切斷時產生的過電壓1變壓器初級斷開時的過電壓變壓器是一種電桿元件，當晶閘管空載時變壓器初級繞組中的電流就是其激磁電流。斷開空載變壓器就是切斷其激磁電流，此時繞組中將感應出一個很高的電勢企圖維持這個初切斷的電流，從而在斷開點處產生電弧。

43、與此同時產生電勢，造成過電壓。它和開關斷開的速度有關。一般可到達電源電壓的34倍。當電源電壓過零的瞬間，激磁電流到達峰值，這時斷開初級過電壓情況更嚴重。2并聯負載切斷時形成過電壓在供電給晶閘管的三相交流饋電線上，往往接有其他負載。而電源回路總有一些電感，例如電力室進線主變壓器的漏感，饋電母線的電感等。當并聯負載切斷時，將造成電源回路電感中電流的突然變化，因而在饋電線上產生過電壓加到與三相連著的晶閘管上。這種過電壓的大小，顯然與電源回路的電感大小和切斷并聯負載的電流值有關。對于這種過電壓也可以采用RC吸收回路并聯在晶閘管進線側加以抑制。(3)直流回路切斷時產生的過電壓圖5-1在晶閘管晶閘管整流電

44、路的后面總接有LC濾波電路，濾波電路 的容量很大，常常達幾萬微法，一般情況下，在切斷直流負載不大的回路時，不會產生過電壓。但是在直流負載很大的輸出回路中，假設接有熔斷器，當熔斷器熔斷時，相當于切斷大負載電流電路，如圖5-1示，這時電感L中電流 I就向電容C充電，使其電壓升高，假設電容容量缺乏時就會產生過電壓加到晶閘管上來。因此濾波電容的大小除了滿足濾波要求外，還應滿足吸收電感L中的能量而不致形成過電壓。此外，某橋臂中的硅元件在導通狀態下突然開斷的或串聯熔斷器熔斷時，因電感中電流不能突變，從而產生很高的電壓。此過電壓正向施加于其余晶閘管上，可能使其正向轉折，這時，假設有續流二極管并聯與直流側，那

45、么電感中的電流可通過續流二極管構成回路。3、換向過電壓晶閘管整流電路在工作時，各晶閘管是輪流導通的，整流電流不斷的從一只晶閘管轉到另一只晶閘管仲去，這就是所謂的換向。在理想情況下，某晶閘管換向終了，通過它的電流降到零時，該晶閘管，立即閉鎖以防止電流反向。實際上對于原來導通的晶閘管，突然加反向電壓時，他并不能立即封鎖，晶閘管管段有個過程，因為結區還積存著大量載流子，在一段時間內仍是導通狀態，使晶閘管在反向電壓作用下流過反向電流，這個電流成為反向恢復電流，反向恢復電流以一定的速率朝反向增加，這個速度取決于加反向電壓和電路電感量的大小。圖5-2圖5-3換向過電壓的大小和反向電流在回路電感中集聚的能量

46、與這個能量的釋放速度有關，前者取決于晶閘管的工作狀態和電路參數。因這些因素已經確定了，所以總是采用降低這個能量釋放速度的方法來降低換向過電壓。這個方法最常用的就是在晶閘管兩端并聯RC吸收回路。（二） 控制過電壓的措施1、 阻容吸收保護阻容RC吸收保護電路是利用兩端電壓不能突變的原理，在電力切斷時，把電感中的電磁能量轉變為電容器中的電場能量。適當的選擇R、C的大小就可以抑制過電壓數值在允許范圍內。晶閘管交流側的RC吸收電路，它既可以抑制空載變壓器拉閘時切斷激磁電流所產生的過電壓，又能抑制變電壓合閘時的過電壓，以及相臨負載拉閘時形成的過電壓。而且由于電容上的電壓不能突變，所以能有效的抑制電壓上升率

47、。電阻R是防止產生LC震蕩的阻尼電阻，原那么上是小一些好，但過小可能產生震蕩。交流側RC吸收電路可以接在變壓器的初級側或者接在次級側，其作用是一樣的。由于次級電壓一般較低，可減小對電容耐壓的要求，所以，經常是接在變壓器次級側。對于特大量晶閘管有時最好在初級側也接入RC吸收電路。對于硅元件換相電壓的保護，最常用的也是RC吸收電路。將RC支路直接并聯在被保護的元件兩端即可。2、 輸入濾波器如前所述，供電給晶閘管的交流電網因各種原因產生的瞬間過程所引起的過電壓及電壓上升率會串入晶閘管，對晶閘管造成危害，由于設置了相應的RC吸收電路后，電網上產生的過電壓尖峰及電壓上升率一般就不會到達晶閘管。但是，在沒

48、有變壓器的整流電路中情況就不一樣了，這時應該在電源輸入端串入電感L4如圖，用來抑制從電網來的過電壓尖峰及過大的電壓上升率。但是接入電感L后，在操作晶閘管時又會產生各種過電壓，因此也要接入相應的RC吸收電路，這樣就構成了圖示濾波器。這種濾波器對改善晶閘管工作時對電網電壓波形的畸變有好處。3、 硒堆保護電路RC吸收電路既然能抑制過電壓而又有抑制電壓上升率的作用，但是其吸收能力有限當供電電網上發生意外情況，對于出現能量很大的過電壓時，一般的RC電路往往不能將這種過電壓吸收掉。這時，可采用硒堆保護電路硒堆有兩組反向串聯的硒片組成，利用其反向擊穿特性吸收過電壓而到達保護目的。硒片保護也可接到變壓器初級側

49、，但由于初級電壓一般都比次級電壓高，這時所需串聯的片數就要相應增加，其面積適當減小。4、壓敏電阻保護電路壓敏電阻是近年來出現的一種金屬氧化物，具有于“穩壓管特性相類似的非線形伏安特性，是一種良好的過電壓保護元件，它具有體積小，過電壓的抑制性好，耐受沖擊能量大，響應速度快，正常耗電量小，可靠性高等一系列優點，而且它的正反向伏安特性對稱交直流電路中都適用。因此，在晶閘管晶閘管與逆變裝置中已開始采用這種壓敏電阻作為過電壓保護元件。抑制措施（一） 產生過電流的原因使晶閘管過流的原因有三種：一是過負載，二是輸出側電路。晶閘管供應的負載用電量過大，超過晶閘管的額定輸出值就造成過負載，使可控硅中的電流超過規

50、定值。電流過大會造成晶閘管的結部溫度過高，甚至超過允許值。這就使晶閘管的正反向特性都變壞，漏電流急劇增大，其結果又會使元件結溫更加上升，如此惡性循環，就可能完全損壞晶閘管，導致發生短路故障，因晶閘管的過電流能力是很有限的， 所以在電路中要采取過載保護措施。輸出側的短路，將造成很大的短路電流。因為一般通用晶閘管總是帶有較大的濾波電感。這個濾波電感可減小短路電流上升的速度，當采用快速繼電器保護時，可以在短路電流尚未上升至最大值前切斷電路。此外，在直流回路中可接入快速熔斷器，在電流上升至一定值時熔斷，切斷電路。二、抑制過電流的措施1、限流法所謂限流法就是將晶閘管的最大輸出限制在某一規定的數值，這是電

51、源設備中常用的過載保護手段之一。在晶閘管電路中，可以利用控制電路設法使晶閘管具有限流性能。例如當輸出電流增到達某一數值時，控制電路發生轉換信號使晶閘管轉入限流工作，這是控制電路調節晶閘管的控制角，降低晶閘管的輸出電壓，使輸出電流限制在規定的范圍內。這種保護方式再過電流消除后，自動恢復原來的工作狀態，保證了供電不中斷。2、控制閉鎖方法當晶閘管過載或發生直流輸出側短路故障時，為了更快的限制輸出電流，可以采用閉鎖晶閘管控制極的方法。也就是說在發生短路故障時，通過控制電路切斷晶閘管的觸發脈沖，這樣除了已經在導電的晶閘管外，其余的元件不再輪流導電。已導電晶閘管中的電流減小到零時，該元件也停止導電，這樣電

52、路就完全切斷了。需要特別指出，在三相半控橋式電路中采用閉瑣控制極的保護方法時，主電路中必須有續流二極管，否那么就不能切斷故障電流。3、快速熔斷法普通熔斷器因為熔斷速度太慢，假設用它保護晶閘管，很可能在晶閘管燒壞后還未熔斷，因此一般不能用來保護晶閘管，快速熔斷器采用特殊結構的銀質熔絲作熔體，且在熔斷管內填充石英沙。使快速熔斷器具有很好的熔斷特性。與普通熔斷器相比在同樣的 過載倍數下，它的熔斷時間要短的多。因此它可以作為晶閘管的短路保護手段。整流器中產生過電壓的原因有外因和內因兩種。前者主要來自系統中的通斷過程和雷擊，后者是指由晶閘管元件的周期通斷(換相)過程(即晶閘管載流子積蓄效應)引起的過電壓

53、。 正常工作時，晶閘管承受的最大峰值電壓Um， 超過此峰值的電壓即為過電壓。在整流裝置中，任何偶然出現的過電壓均不應超過元件的不重復峰值電壓Udm，而任何周期性出現的過電壓那么應小于元件的重復峰值電壓Urm。這兩種過電壓都是經常發生和不可防止的，因此在變流電路中，必須采用各種有效保護措施，以抑制各種暫態過電壓，保護晶閘管元件不受損壞。 抑制暫態過電壓的方法一般有三種： 用電阻消耗過電壓的能量； 用非線性元件限制過電壓的幅值； 用儲能元件吸收過電壓的能量。 假設以過電壓保護裝置的部位來分， 還有交流側保護和直流側保護兩種抑制暫態電壓的方法。 (1) 交流側過電壓保護有三種方法：采用避雷器、RC過電壓抑制電路和非線性元件。 避雷器用以保護由大氣雷擊所產生的過電壓，主要用于保護變壓器。因這種過電壓能量較大，持續時間也較長，一般采用閥型避雷器。 RC過電壓抑制電路通常并聯在變壓器次級元件側， 以吸收變壓器鐵心磁場釋放的能量，并把它轉換為電容器的電場能而儲存起來。串聯電阻是為了在能量轉換過程中消耗一局部能量并且抑制RC回路可能產生的振蕩。當整流器容量較大時，RC電路也可接在變壓器的電源側。 圖5-3 RC保護接法(2) 直流側過電壓保護