可控硅整流器工作原理及结构特点解析

　　可控硅整流器是一种常用的电力半导体电子器件，具有控制开关数千瓦乃至兆瓦级电功率的能力。从结构上说，它是 一种反向截止三极管型的闸流晶体管，由三个PN结（PN-PN四层）构成。器件的外引线有阴极、阳极、控制极三个电极，典型大电流可控硅整流器的示意剖面见图。器件的反向特性（阳极接负）和PN结二极管的反向特性相似;其正向特性，在 一定范围内器件处于阻抗很高的关闭状态（正向阻断态，即伏安特性一象限中虚线下的实线部分）。当正向瞬间电压大于转折电压时，器件迅速转变到低电压大电流的通导状态。

　　

　　处于正向阻断态的器件，如果给予控制极一低功率的触发信号（使控制极-阴极PN结导通），则器件可迅速被激发到导通状态，之后毋须继续保持触发电流即可维持在通导状态，此时若将电流降至维持电流（伏安特性虚线处）以下，器件可恢复到阻断状态。

　　可控硅整流器：主电路采用三相桥或双反星形带平衡电抗器电路。可控硅元件采用大功率元件，节能显著。主控制系统采用大板高槛抗干扰、大规模集成控制板；模块及集成元件全部采用进口，可靠性高。具有自动稳压、稳流，稳定精度优于1%。具有0~60S软起动，电镀氧化着色时间可任意设定，自动定时。采用多相整流，减小输出电压纹波系数ru，特别适应于镀硬铬工艺，表面光洁度好，镀层厚度均匀。冷却方式：水冷、风冷、自冷。

　　可控硅是一种极为重要的功率电子器件，可以以极小的控制功率控制兆瓦级的电力，常用于整流、开关、变频、逆变等电路中。 高功率可控硅采用甚大面积的硅片，需封装在带散热器的管壳中。

　　可控硅整流器的工作原理

　　可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成，其等效图解如图所示

　

　　当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=β2ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic2。此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=β1ib1=β1β2ib2。这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。

　　由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。

　　可控硅整流器的结构

　　◆从外形上来看，可控硅整流器也主要有螺栓型和平板型两种封装结构 。

　　◆引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端。

　　◆内部是PNPN四层半导体结构。

　　可控硅整流器的外形、结构和电气图形符号

　　a） 外形 b） 结构 c） 电气图形符号

　　可控硅整流器VS与小灯泡EL串联起来，通过开关S接在直流电源上。注意阳极A是接电源的正极，阴极K接电源的负极，控制极G通过按钮开关SB接在3V直流电源的正极（这里使用的是KP5型晶闸管，若采用KP1型，应接在1.5V直流电源的正极）。晶闸管与电源的这种连接方式叫做正向连接，也就是说，给晶闸管阳极和控制极所加的都是正向电压。现在我们合上电源开关S，小灯泡不亮，说明晶闸管没有导通;再按一下按钮开关SB，给控制极输入一个触发电压，小灯泡亮了，说明晶闸管导通了。这个演示实验给了我们什么启发呢？

　　这个实验告诉我们，要使可控硅整流器导通，一是在它的阳极A与阴极K之间外加正向电压，二是在它的控制极G与阴极K之间输入一个正向触发电压。晶闸管导通后，松开按钮开关，去掉触发电压，仍然维持导通状态。

　　可控硅整流器的特点：是“一触即发”。但是，如果阳极或控制极外加的是反向电压，晶闸管就不能导通。控制极的作用是通过外加正向触发脉冲使晶闸管导通，却不能使它关断。那么，用什么方法才能使导通的晶闸管关断呢？使导通的晶闸管关断，可以断开阳极电源（图3中的开关S）或使阳极电流小于维持导通的最小值（称为维持电流）。如果晶闸管阳极和阴极之间外加的是交流电压或脉动直流电压，那么，在电压过零时，晶闸管会自行关断。

　　可控硅整流器在电路中的主要用途是什么？

　　普通可控硅整流器最基本的用途就是可控整流。大家熟悉的二极管整流电路属于不可控整流电路。如果把二极管换成晶闸管，就可以构成可控整流电路。现在我画一个最简单的单相半波可控整流电路。在正弦交流电压U2的正半周期间，如果VS的控制极没有输入触发脉冲Ug，VS仍然不能导通，只有在U2处于正半周，在控制极外加触发脉冲Ug时，晶闸管被触发导通。现在，画出它的波形图。可以看到，只有在触发脉冲Ug到来时，负载RL上才有电压UL输出（波形图上阴影部分）。Ug到来得早，晶闸管导通的时间就早;Ug到来得晚，晶闸管导通的时间就晚。通过改变控制极上触发脉冲Ug到来的时间，就可以调节负载上输出电压的平均值UL（阴影部分的面积大小）。在电工技术中，常把交流电的半个周期定为180°，称为电角度。这样，在U2的每个正半周，从零值开始到触发脉冲到来瞬间所经历的电角度称为控制角α;在每个正半周内晶闸管导通的电角度叫导通角θ。很明显，α和θ都是用来表示晶闸管在承受正向电压的半个周期的导通或阻断范围的。通过改变控制角α或导通角θ，改变负载上脉冲直流电压的平均值UL，实现了可控整流。

　　在桥式整流电路中，把二极管都换成可控硅整流器是不是就成了可控整流电路了呢？在桥式整流电路中，只需要把两个二极管换成可控硅整流器就能构成全波可控整流电路了。

　　可控硅整流器控制极所需的触发脉冲是怎么产生的呢？可控硅整流器触发电路的形式很多，常用的有阻容移相桥触发电路、单结晶体管触发电路、晶体三极管触发电路、利用小晶闸管触发大晶闸管的触发电路，等等。今天大家制作的调压器，采用的是单结晶体管触发电路。

　　在可控整流电路的波形图中，发现可控硅整流器承受正向电压的每半个周期内，发出第一个触发脉冲的时刻都相同，也就是控制角α和导通角θ都相等，那么，单结晶体管张弛振荡器怎样才能与交流电源准确地配合以实现有效的控制呢？

　　为了实现整流电路输出电压“可控”，必须使晶闸管承受正向电压的每半个周期内，触发电路发出第一个触发脉冲的时刻都相同，这种相互配合的工作方式，称为触发脉冲与电源同步。

　　

　　怎样才能做到同步呢？大家再看调压器的电路图（图1）。请注意，在这里单结晶体管张弛振荡器的电源是取自桥式整流电路输出的全波脉冲直流电压。在可控硅整流器没有导通时，张弛振荡器的电容器C被电源充电，UC按指数规律上升到峰点电压UP时，单结晶体管VT导通，在VS导通期间，负载RL上有交流电压和电流，与此同时，导通的VS两端电压降很小，迫使张弛振荡器停止工作。当交流电压过零瞬间，可控硅整流器VS被迫关断，张弛振荡器得电，又开始给电容器C充电，重复以上过程。这样，每次交流电压过零后，张弛振荡器发出第一个触发脉冲的时刻都相同，这个时刻取决于RP的阻值和C的电容量。调节RP的阻值，就可以改变电容器C的充电时间，也就改变了第一个Ug发出的时刻，相应地改变了可控硅整流器的控制角，使负载RL上输出电压的平均值发生变化，达到调压的目的。

　　可控硅整流器系列产品的优点

　　1、整流结构先进

　　采用先进出口变压器结构设计大大提高了整流效率节约了能源并使整机体积、重量大为减小，可靠性大为提高。

　　2、控制特性良好

　　采用的控制电路与国际主流可控硅控制电路可完全互换，该控制电路它具有自动稳压/稳流、自动电流密度、0-180秒任意调节软启动等良好控制功能，并可通过接口实现计算机控制，是目前最先进的可控硅控制系统。

　　3、保护功能完善

　　具有缺相、输出短路/过载、超温的完善自动保护。

　　4、选用优质材料及采用严谨的制造工艺

　　变压器铁芯采用进口优质硅钢片晶粒取向裁片并严格控制接缝。

　　变压器线圈采用优质无氧铜线材绕制并采用两次浸渍工艺

　　一次侧控制型整流器原边采用进口高压可控硅元件，付边采用国产优质整流元件

　　二次侧控制采用进口可控硅元件。

　　5、具备妥善的防护措施

　　整流器的控制部分采用三重防腐处理。优良的防腐蚀设计使整机具有极好的环境耐受力，工作的可靠性大大提高，设备的环境适应能力远高于整流器国家标准。

　　6、操作方便

　　配备简单实用的遥控操作箱，即方便使用者在工位就近操作又可方便整流器安装选位。