可控硅元件—可控硅整流電路

一、單相半波可控整流電路

1、工作原理

電路和波形如圖1所示，設u2=U2sinω。

圖1 單相半波可控整流

正半周：

0＜t＜t1,ug=0,T正向阻斷，id=0,uT=u2,ud=0

t=t時,加入ug脈沖，T導通，忽略其正向壓降，uT=0,ud=u2,id=ud/Rd。

負半周：

π≤t＜2π當u2自然過零時，T自行關斷而處于反向阻斷狀態，ut=0,ud=0,id=0。

從0到t1的電度角為α，叫控制角。從t1到π的電度角為θ，叫導通角，顯然α+θ=π。當α=0，θ=180度時，可控硅全導通，與不控整流一樣，當α=180度，θ=0度時，可控硅全關斷，輸出電壓為零。

2、各電量關系

ud波形為非正弦波，其平均值（直流電壓）：

由上式可見，負載電阻Rd上的直流電壓是控制角α的函數，所以改變α的大小就可以控制直流電壓Ud的數值，這就是可控整流意義之所在。

流過Rd的直流電流Id：

Ud的有效值（均方根值）：

流過Rd的電流有效值：

由于電源提供的有功功率P=UI，電源視在功率S=U2I（U2是電源電壓有效值），所以功率因數：

由上式可見，功率因數cosψ也是α的函數，當α=0時，cosψ=0.707。顯然，對于電阻性負載，單相半波可控整流的功率因數也不會是1。

比值Ud/U、I/Id和cosψ隨α的變化數值，見表1，它們相應的關系曲線，如圖2所示

表1 Ud/U、I/Id和cosψ的關系

圖2 單相半波可控整流的電壓、電流及功率因數與控制角的關系

由于可控硅T與Rd是串聯的，所以，流過Rd的有效值電流I與平均值電流Id的比值，也就是流過可控硅T的有效值電流IT與平均值電流IdT的比值，即I/Id=It/IdT。

二、單相橋式半控整流電路

1、工作原理

電路與波形如圖3所示

圖3、單相橋式半控整流

正半周：

t1時刻加入ug1，T1導通，電流通路如圖實線所示。uT1=0,ud=u2,uT2=-u2。u2過零時，T1自行關斷。

負半周：

t2時刻加入ug2，T2導通，電流通路如圖虛線所示，uT2=0，ud=-u2,ut1=u2。u2過零時T2自行關斷。

2、各電量關系

由圖3可見，ud波形為非正弦波，其幅值為半波整流的兩倍，所以Rd上的直流電壓Ud：

直流電流Id：

電壓有效值U：

電流有效值I：

功率因數cosψ：

比值Ud/U,I/Id和cosψ隨α的變化數值見表2，相應關系曲線見圖4

表2 Ud/U、I/Id、cosψ與α的關系表

圖4、單相全波和橋式電路電壓、電流及功率因數與控制角的關系

把單相全波整流單相半波整流進行比較可知：

（1）當α相同時，全波的輸出直流電壓比半波的大一倍。

（2）在α和Id相同時，全波的電流有效值比半波的減小倍。

（3）α相同時，全波的功率因數比半波的提高了倍。

三、整流電路波形分析

1、單相半波可控整流

（1）電阻性負載（見圖1）

• 電阻性負載，id波形與ud波形相似，因為可控硅T與負載電阻Rd串聯，所以id=id。

• 可控硅T承受的正向電壓隨控制角α而變化，但它承受的反向電壓總是負半波電壓，負半波電壓的值為U2。

• 線路簡單，多用在要求不高的電阻負載的場合。

（2）感性負載（不帶續流二極管，見圖5）：

圖5 電感性負載無續流二極管

• 電機電器的電磁線圈、帶電感濾波的電阻負載等均屬于電感性負載。

• 電感具有障礙電流變化的作用可控硅T導通時，其壓降uT=0，但電流id只能從零開始上升。id增加和減少時線圈Ld兩端的感應電動勢eL的極性變化如圖示。

• 當電源電壓u2下降及u2≥0時，只要釋放磁場能量可以維持id繼續流通，可控硅T仍然牌導通狀態，此時ud=u2。當u2＜0時，雖然ud出現負值，但電流id的方向不變。

• 當電流id減小到小于維持電流IH時，可控硅T自行關斷，id=0,UT=u2，可控硅承受反壓。

• 負載電壓平均值：其中電感Ld兩端電壓的平均值為零。

• 電感Ld的存在使負載電壓ud出現負值，Ld越大，ud負值越大，負載上直流電壓Ud就越小，Id=Ud/Rd也越小，所以如果不采取措施，可控硅的輸出就達不到應有的電壓和電流。

（3）感性負載（帶續流二極管，見圖6）：

圖6 電感性負載有續流二極管

• 在負載上并聯一只續流二極管D，可使Ud提高到和電阻性負載時一樣，

• 在電源電壓u2≤0時，D的作用有點：①把電源負電壓u2引到可控硅T兩端，使T關斷，uT=u2；②給電感電流續流，形成iD；③把負載短路，ud=0,避免ud出現負值，使負載上直流輸出電壓ud提高。

• 負載電流為何控硅電流iT和二極管的續流iD之和，即id=iT+iD。當ωLd≥R時，iD下降很慢使id近似為一條水平線，所以流過T和D的電注平均值與有效值分別為：平均值：IdT=（θ/360°）Id；IdD=[(360°-θ)/360°]Id；有效值：IT=根號下（θ/360°）Id；ID=根號下[(360°-θ)/360°]Id

• 可控硅T開始導通后，如果電感Ld很大，iT的上升很慢，這就有可能導致觸發脈沖消失時可控硅的電流還上升不到維持導通狀態的維持電流，就是說，可控硅觸發不了，為了使可控硅可靠觸發，觸發脈沖應該足夠寬，或者在負載兩端并聯一只電阻，以利于加快iT的上升。

  晶閘管的工作原理

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  在中頻爐中整流側關斷時間采用KP-60微秒以內，逆變側關短時間采用KK-30微秒以內這也是KP管與KK管的主要區別

  晶閘管T在工作過程中，它的陽極A和陰極K與電源和負載連接，組成晶閘管的主電路，晶閘管的門極G和陰極K與控制晶閘管的裝置連接，組成晶閘管的控制電路。

  
  晶閘管的工作條件：

  
  1. 晶閘管承受反向陽極電壓時，不管門極承受和種電壓，晶閘管都處于關短狀態。

  2. 晶閘管承受正向陽極電壓時，僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導通。

  3. 晶閘管在導通情況下，只要有一定的正向陽極電壓，不論門極電壓如何，晶閘管保持導通，即晶閘管導通后，門極失去作用。

  4. 晶閘管在導通情況下，當主回路電壓（或電流）減小到接近于零時，晶閘管關斷。

  從晶閘管的內部分析工作過程：

  晶閘管是四層三端器件，它有J1、J2、J3三個PN結圖1，可以把它中間的NP分成兩部分，構成一個PNP型三極管和一個NPN型三極管的復合管圖2

  當晶閘管承受正向陽極電壓時，為使晶閘管導銅，必須使承受反向電壓的PN結J2失去阻擋作用。圖2中每個晶體管的集電極電流同時就是另一個晶體管的基極電流。因此，兩個互相復合的晶體管電路，當有足夠的門機電流Ig流入時，就會形成強烈的正反饋，造成兩晶體管飽和導通，晶體管飽和導通。
  設PNP管和NPN管的集電極電流相應為Ic1和Ic2；發射極電流相應為Ia和Ik；電流放大系數相應為a1=Ic1/Ia和a2=Ic2/Ik，設流過J2結的反相漏電電流為Ic0,
  晶閘管的陽極電流等于兩管的集電極電流和漏電流的總和：
  Ia=Ic1+Ic2+Ic0 或Ia=a1Ia+a2Ik+Ic0
  若門極電流為Ig,則晶閘管陰極電流為Ik=Ia+Ig
  從而可以得出晶閘管陽極電流為：I=(Ic0+Iga2)/（1-（a1+a2））（1—1）式
  硅PNP管和硅NPN管相應的電流放大系數a1和a2隨其發射極電流的改變而急劇變化如圖3所示。
  當晶閘管承受正向陽極電壓，而門極未受電壓的情況下，式（1—1）中，Ig=0,(a1+a2)很小，故晶閘管的陽極電流Ia≈Ic0 晶閘關處于正向阻斷狀態。當晶閘管在正向陽極電壓下，從門極G流入電流Ig,由于足夠大的Ig流經NPN管的發射結，從而提高起點流放大系數a2,產生足夠大的極電極電流Ic2流過PNP管的發射結，并提高了PNP管的電流放大系數a1,產生更大的極電極電流Ic1流經NPN管的發射結。這樣強烈的正反饋過程迅速進行。從圖3，當a1和a2隨發射極電流增加而（a1+a2）≈1時，式（1—1）中的分母1-（a1+a2）≈0,因此提高了晶閘管的陽極電流Ia.這時，流過晶閘管的電流由主回路的電壓和回路電阻決定。晶閘管已處于正向導通狀態。
  式（1—1）中，在晶閘管導通后，1-（a1+a2）≈0,即使此時門極電流Ig=0,晶閘管仍能保持原來的陽極電流Ia而繼續導通。晶閘管在導通后，門極已失去作用。
  在晶閘管導通后，如果不斷的減小電源電壓或增大回路電阻，使陽極電流Ia減小到維持電流IH以下時，由于a1和a1迅速下降，當1-（a1+a2）≈0時，晶閘管恢復阻斷狀態。