一、 晶闸管基本知识

  晶闸管(Thyristor)是晶體(tǐ)闸流管的简称，又(yòu)可(kě)称做可(kě)控硅整流器，以前被简称為(wèi)可(kě)控硅;1957年美國(guó)通用(yòng)電(diàn)器公司开发出晶闸管产品，并于1958年使其商(shāng)业化;晶闸管是PNPN四层半导體(tǐ)结构，它有(yǒu)三个极：阳极，阴极和门极;晶闸管工作条件為(wèi)：加正向電(diàn)压且门极有(yǒu)触发電(diàn)流。其派生器件有(yǒu)：快速晶闸管，双向晶闸管，逆导晶闸管，光控晶闸管等。它是一种大功率开关型半导體(tǐ)器件，在電(diàn)路中用(yòng)文(wén)字符号為(wèi)“V”、“VT”表示(旧标准中用(yòng)字母“SCR”表示)。 晶闸管具有(yǒu)硅整流器件的特性，能(néng)在高電(diàn)压、大電(diàn)流条件下工作，且其工作过程可(kě)以控制，被广泛应用(yòng)于可(kě)控整流、交流调压、无触点電(diàn)子开关、逆变及变频等電(diàn)子電(diàn)路中。 1、晶闸管分(fēn)类

  (1)按关断、导通及控制方式分(fēn)类 晶闸管按其关断、导通及控制方式可(kě)分(fēn)為(wèi)普通晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、门极关断晶闸管(GTO)、BTG晶闸管、温控晶闸管和光控晶闸管等多(duō)种。

  (2)按引脚和极性分(fēn)类 晶闸管按其引脚和极性可(kě)分(fēn)為(wèi)二极晶闸管、三极晶闸管和四极晶闸管。

  (3)按封装形式分(fēn)类 晶闸管按其封装形式可(kě)分(fēn)為(wèi)金属封装晶闸管、塑封晶闸管和陶瓷封装晶闸管三种类型。其中，金属封装晶闸管又(yòu)分(fēn)為(wèi)螺栓形、平板形、圆壳形等多(duō)种;塑封晶闸管又(yòu)分(fēn)為(wèi)带散热片型和不带散热片型两种。

  (4)按電(diàn)流容量分(fēn)类 晶闸管按電(diàn)流容量可(kě)分(fēn)為(wèi)大功率晶闸管、中功率晶闸管和小(xiǎo)功率晶闸管三种。通常，大功率晶闸管多(duō)采用(yòng)金属壳封装，而中、小(xiǎo)功率晶闸管则多(duō)采用(yòng)塑封或陶瓷封装。

  (5)按关断速度分(fēn)类 晶闸管按其关断速度可(kě)分(fēn)為(wèi)普通晶闸管和高频(快速)晶闸管。

  2、晶闸管工作条件

  由于晶闸管只有(yǒu)导通和关断两种工作状态,所以它具有(yǒu)开关特性,这种特性需要一定的条件才能(néng)转化,此条件如表1所示。

  表1 晶闸管工作条件 状态 条件 说明 从关断到导通

  (1)阳极電(diàn)位高于阴极電(diàn)位

  (2)门极有(yǒu)足够的正向電(diàn)压和電(diàn)流 两者缺一不可(kě) 维持导通 (1)阳极電(diàn)位高于阴极電(diàn)位 (2)阳极電(diàn)流大于维持電(diàn)流 两者缺一不可(kě) 从导通到关断 (1)阳极電(diàn)位低于阴极電(diàn)位 (2)阳极電(diàn)流小(xiǎo)于维持電(diàn)流 任一条件即可(kě) 二、晶闸管在高压软起动中的应用(yòng) 随着國(guó)民(mín)经济的高速发展，高压電(diàn)动机的数量不断增加。由于大電(diàn)机直接起动时的電(diàn)流為(wèi)额定電(diàn)流的5～7倍，而启动转矩只有(yǒu)额定转矩的0.4～1.6倍。它在電(diàn)网条件(電(diàn)机启动时的電(diàn)网压降小(xiǎo)于10%)和工艺条件(启动转矩满足)允许的情况下，可(kě)以直接启动。但过大的启动電(diàn)流、过小(xiǎo)的启动转矩和过長(cháng)的启动时间给電(diàn)机和電(diàn)网造成了极大的危害。因此，必须在電(diàn)源和電(diàn)机之间串入软起动器来解决这些问题。 晶闸管電(diàn)机固态软起动器(以下简称高压软启动)的出现，很(hěn)好的解决了以上问题，它弥补了传统软起动器的各种不足，很(hěn)好地降低了電(diàn)机的起动電(diàn)流，降低了配電(diàn)容量，延長(cháng)了電(diàn)机及相关设备的使用(yòng)寿命，并且起停方式及参数可(kě)视负载调整等优点，具有(yǒu)较佳起停性能(néng)。 1、晶闸管電(diàn)机软起动器工作原理(lǐ) 晶闸管在高压软启动中的应用(yòng)是一种利用(yòng)晶闸管进行交流调压的应用(yòng)。利用(yòng)晶闸管可(kě)以相控改变晶闸管导通的相位角来调节電(diàn)压。 晶闸管移相式软起动器是改变正弦交流電(diàn)压的波形，使之变為(wèi)非正弦脉冲式交流電(diàn)，通过调节其占空比，如图2所示。 注释： (1)α ：控制角。指触发脉冲的加入时间。 (2 ) ：导通角。每半个周期晶闸管导通角度。控制角越大，导通角越小(xiǎo)，它们的和為(wèi)定值α+ = 。它改变交流電(diàn)的平均電(diàn)压，其平均電(diàn)压是可(kě)控的、平滑变化的。 图2 移相式调压 2、晶闸管的保护 晶闸管是高压软启动中最关键的功率器件，整机装置是否工作可(kě)靠与晶闸管是否可(kě)靠工作有(yǒu)很(hěn)大的关系。而晶闸管存在着承受过電(diàn)压、过電(diàn)流的能(néng)力很(hěn)差问题， 晶闸管的热容量很(hěn)小(xiǎo)，一旦发生过電(diàn)流时，温度急剧上升，可(kě)能(néng)将PN结烧坏，造成元件内部短路或开路。例如一只100A的晶闸管过電(diàn)流為(wèi)400A时，仅允许持续0.02s，否则将因过热而损坏; 晶闸管耐受过電(diàn)压的能(néng)力极差，電(diàn)压超过其反向击穿電(diàn)压时，即使时间极短，也容易损坏。若正向電(diàn)压超过转折電(diàn)压时，则晶闸管误导通，导通后的電(diàn)流较大，使器件受损。 2.1 晶闸管的过压保护 在晶闸管两端并联R-C阻容吸收回路，如图3所示，利用(yòng)電(diàn)容吸收过压。其实质就是将造成过電(diàn)压的能(néng)量变成電(diàn)场能(néng)量储存到電(diàn)容中,然后释放到電(diàn)阻中消耗掉。 晶闸管从导通到阻断时，和开关電(diàn)路一样，因線(xiàn)路電(diàn)感(主要是变压器漏感LB)释放能(néng)量会产生过電(diàn)压。由于晶闸管在导通期间，载流子充满元件内部，所以元件在关断过程中，正向電(diàn)压下降到零时，内部仍残存着载流子。这些积蓄的载流子在反向電(diàn)压作用(yòng)下瞬时出现较大的反向電(diàn)流，使积蓄载流子迅速消失，这时反向電(diàn)流消失的极快，即di/dt极大。因此即使和元件串连的線(xiàn)路電(diàn)感L很(hěn)小(xiǎo)，電(diàn)感产生的感应電(diàn)势L(di/dt)值仍很(hěn)大，这个電(diàn)势与電(diàn)源電(diàn)压串联，反向加在已恢复阻断的元件上，可(kě)能(néng)导致晶闸管的反向击穿。这种由于晶闸管关断引起的过電(diàn)压，称為(wèi)关断过電(diàn)压，其数值可(kě)达工作電(diàn)压峰值的5～6倍，所以必须采取抑制措施。 阻容吸收電(diàn)路中電(diàn)容器把过電(diàn)压的電(diàn)磁能(néng)量变成静電(diàn)能(néng)量存贮，電(diàn)阻防止電(diàn)容与電(diàn)感产生谐振、限制晶闸管开通损耗与電(diàn)流上升率。这种吸收回路能(néng)抑制晶闸管由导通到截止时产生的过電(diàn)压，有(yǒu)效避免晶闸管被击穿。 阻容吸收電(diàn)路安装位置要尽量靠近模块主端子，即引線(xiàn)要短。最好采用(yòng)无感電(diàn)阻，以取得较好的保护效果。 图3 阻容吸收 2.2 晶闸管的动稳态均压保护 晶闸管串联使用(yòng)均压问题就十分(fēn)重要，而均压又(yòu)分(fēn)為(wèi)动态均压和静态(稳态)均压。静态均压指的是電(diàn)路稳定运行时候每个晶闸管承受的電(diàn)压相等，而动态均压指的是在开和关的过程中，由于每个晶闸管的制造工艺的差别，即使是同一厂家的同一型号的晶闸管，都存在触发能(néng)力的不同，造成开关时间或者性能(néng)也是有(yǒu)差异的，这些原因造成IGBT在开关的过程中必然会出现开关速度的不一致，如果两个串联的IGBT两端的電(diàn)压一定的话，那么先开通的IGBT两端電(diàn)压先降下来，后开通的那个IGBT必然会承受几乎全部的電(diàn)压。关断时也类似，这就是晶闸管串联运行时候的动态均压问题，WDGRQ系列软起动针对这种问题，开发了独特的动态均压保护技术，确保了串联的晶闸管导通和关闭的一致性。 2.3 晶闸管的过热保护 晶闸管在電(diàn)流通过时，会产生一定的压降，而压降的存在则会产生一定的功耗，電(diàn)流越大则功耗越大，产生的热量也就越大，如果不把这些热量快速散掉，会造成烧坏晶闸管芯片的问题，因此散热条件的好坏，是影响模块能(néng)否安全工作的重要因素，良好的散热条件不但能(néng)够保证模块可(kě)靠工作、防止模块过热烧毁，而且能(néng)够提高模块的電(diàn)流输出能(néng)力。 所有(yǒu)高压软启动使用(yòng)晶闸管模块时，一般采用(yòng)安装散热器来实现过热保护，因此散热器的选型将直接影响高压软启动的可(kě)靠性及起动次数，WDGRQ系列软起动在设计过程中使用(yòng)FloTHERM软件对散热器散热效果进行仿真优化设计，确保了散热器能(néng)可(kě)靠的实现对晶闸管的过热保护。