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三段桥式半控整流装置的研究与设计

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摘 要
随着我国工业和经济的发展，电力电子器件的应用取得了突飞猛进的发展，同时对电力电子技术的应用和创新也在不断的提高。电力电子技术是应用于广泛领域最活跃的技术，并使用电力电子器件及其技术对电能进行变换和控制。直流整流器是以电力电子技术为基础发展起来的。它是利用电力电子技术的基本特点之一：以小信号输入控制很大的功率输出，放大倍数极大，这就是电力电子设备成为强、弱电之间的接口基础。利用这一特点能获得节能、高产、高效、高可靠性、安全的良好效益。
本设计主要介绍三段桥直流整流电路及其工作原理、波形、参数计算，并根据参数值选择所用晶闸管、二极管等设备。其次介绍了晶闸管的触发电路和构成触发电路的各个环节的工作状况，以及相对于主电路的各种保护电路的设计及其参数的计算，并且根据所算出的各种参数值确定所用器件的额定值，最后通过Matlab Simulink进行仿真。

关键词：电力电子技术；晶闸管；三段桥；整流器；MATLAB

Abstract
With the rapid development of our country’s industry and economy,the electricity used in the device continuously increased,Meanwhile the power electronics technology applications and innovations being constantly improved.Power electronics technology has been applied to the field of electric power technology is the use of electricity to power electronic devices for the transformation and control technology operation.The direct current rectifier is developed on basis of the power electronic technology.It is one of the power electronic technology essential features:By the small signal input control very big power output,the enlargement factor is enormous, this is why the power electronic installed between the strongly and weakness as a connection.One can obtain the energy conservation that the high production,highly effective,redundant reliability and the safe good benefit by the use of this characteristic.
Presentation on the design of the main bridge DC rectifier circuit and its working principles,waveform,parameter calculation,and in accordance with choice of parameter values used by the thyristor,diodes and other devices.Second on the trigger thyristor circuit and a trigger circuit in the various segments of working conditions,as well as in relation to the main circuit protection circuit design and the calculation of parameters,and in accordance with the calculated values of the parameters determined by the devices rating.

Keywords：Power electronic technology，Three bridge，Rectifier，Matlab
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目 录
摘 要 I
Abstract II
1 绪论 1
1.1 电力电子技术的发展 1
1.2 课题研究意义及其背景 1
1.3 我国电力机车发展史 2
1.4 本文研究内容与目标 4
2 电力电子器件 6
2.1 电力电子技术概述 6
2.1.1电力电子器件的发展 6
2.2电力电子器件的应用 7
2.3 晶闸管 9
2.3.1晶闸管的结构与工作原理 9
2.3.2 晶闸管的基本特性 11
2.3.3晶闸管的主要参数 14
2.3.4晶闸管变流装置的优缺点及其应用 15
3 可控整流电路 18
3.1 整流电路概述 18
3.2 单相整流电路 19
3.2.1 单相半波可控整流电路 19
3.2.2 单相桥式全控整流电路 20
3.2.3 单相全波可控整流电路 21
3.2.4 单相桥式半控整流电路 22
3.3三相可控整流电路 23
3.3.1三相半波可控整流电路 23
3.3.2 三相桥式全控整流电路 25
3.4 电力机车中三段半控桥整流电路 26
3.4.1 三段半控桥移相控制 31
3.4.2 三段半控桥控制原理 33
3.5 脉冲触发电路 34
3.5.1 触发电路的定相 35
3.5.2 脉冲形成与放大 38
3.5.3 防止误触发的措施 39
3.6 保护电路的设计 40
4 MATLAB建模及仿真 42
4.1 单相可控整流电路建模及仿真 42
4.2 三段半控整流电路建模及其仿真 43
结 论 45
致 谢 46
参考文献 47

1 绪论
1.1 电力电子技术的发展
自本世纪五十年代末第一只晶闸管问世以来，电力电子技术开始登上现代电气传动技术舞台，以此为基础开发的可控硅整流装置，是电气传动领域的一次革命，使电能的变换和控制从旋转变流机组和静止离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子的诞生。进入70年代晶闸管开始形成由低电压小电流到高电压大电流的系列产品，普通晶闸管不能自关断的半控型器件，被称为第一代电力电子器件。随着电力电子技术理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量和类型等方面得到了很大发展，是电力电子技术的又一次飞跃，先后研制出GTR、GTO，功率MOSFET等自关断全控型第二代电力电子器件。而以绝缘栅双极晶体管（IGBT）为代表的第三代电力电子器件，开始向大容量高频率、响应快、低损耗方向发展。而进入90年代电力电子器件正朝着复合化、标准模块化、智能化、功率集成的方向发展，以此为基础形成一条以电力电子技术理论研究，器件开发研制，应用渗透性，在国际上电力电子技术是竞争最激烈的高新技术领域。
大功率的工业用电由工频（50Hz）交流发电机提供，但是大约20%的电能是以直流形式消费的，其中最典型的是电解（有色金属和化工原料需要直流电解）、牵引（电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等）和直流传动（轧钢、造纸等）三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电，因此在六十年代和七十年代，大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了一股各地大办硅整流器厂的热潮，目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。
我国绝大多数电力机车均采用桥式整流电路，也就是相控整流调压方式[1]。
1.2 课题研究意义及其背景
随着科技的进步，越来越多的电子设备应用到工业、商业、民用、航空、公用事业及军事等领域。大多数电子设备都要将输入的交流电压经整流滤波后得到直流电压。电子设备的整流部分通常采用二极管桥式整流，一般后接一个大的滤波电容，可以得到波形较为平直的直流电压源，其中整流-电容滤波电路是一种非线性元件和储能元件的组合，当输入的交流电压的绝对值低于直流侧电压时，负载所需的电能由储能电容提供，交流电压源本身并不提供电流；当输入的交流电压的绝对值高于直流侧电压时，交流电压源直接向储能电容充电。因此，尽管输入的交流电压是正弦波，但是输入的交流电流
却成脉冲状，波形严重畸变，因此电源的输入功率因数很低（大约为0.6）。由此可见，如果大量地应用这种整流电路，则要求电网提供严重畸变的非正弦电流。这些脉冲状的输入电流中含有大量的电流谐波，如果大量的电流谐波分量注入电网，则一方面会使电网中的谐波噪声水平提高，造成电网的谐波“污染”，另一方面会产生“二次效应”，即电流流过线路阻抗形成谐波电压降，反过来使电网电压（原来是正弦波）也发生畸变；这些效应严重时会造成电路故障，损坏变电设备，例如使得线路或配电变压器过热；谐波电流引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波进一步放大；谐波会导致继电保护和自动装置的误动作。在三相电路中，中线流过三相谐波电流的叠加，使中线过流而损坏；谐波对电机除了增加附加损耗外，还会产生附加的谐波转矩，造成机械振动，影响电机的正常运行；由于常规测量仪器是按照其工作在正弦电压和正弦电流下设计的，对非正弦电压或电流的测量则会产生附加误差，影响测量精度；电力线路中的谐波电流会通过电场耦合、磁场耦合或共地耦合对通讯线路造成干扰等等。从上个世纪八十年代开始，这些问题逐渐引起人们的重视，因此发展出了各种技术，降低电流谐波含量，以保证电网的安全和可靠[2]。
1.3 我国电力机车发展史
我国电力牵引动力——电力机车，自1958年诞生到2008年的50年发展历程中，我国电力机车得技术发展经历了三个大的阶段性里程，并在那个阶段形成四代产品。它同国际上技术发展路径相类似，即由直流到交直电传动到交流电传动得发展。但我国干线电力牵引没有经过直流电传动体系，直接进入交直电传动体系。经过了从二极管全波整流和调压开关调幅式有级调压，到调压开关粗调和晶闸管相控微调相结合的级间平滑调压。到多段桥晶闸管相控无级调压的交直传动系统到变频调速交流传动的四代产品。
(1) 仿制阶段式的电力机车
由仿制到自力更生研制出第一、二代电力机车，开创了中国干线电力机车的历史。
我国第一代交直传动电力机车是在消化吸收H60引燃管电力机车基础上，自力更生、逐步提高、完善演变而来。开创了韶山系列干线电力机车地历史。到1988年共生产826台。
1969年SS2型电力机车诞生，是在消化吸收法国进口的6Y2型引燃管电力机车基础上、自力更生研制成我国电力机车另一种的第一代产品。
其特征是：SS1型电力机车为低压侧调压方式，机车功率为3780kW，6轴客货两用，C0-C0轴式，630kW脉流牵引电机拖动，最高速度90 km/h；SS2型电力机车为高压侧调压方式、机车功率为4620kW、6轴客货两用、C0-C0轴式、770kW脉流牵引电机拖动，最高速度为100km/h。
1978年12月30日，SS3型0001号样机研制成功，我国电力机车有了第二代产品，该型机车吸取SS1型和SS2型电力机车设计、制造与运用的成熟经验，并在SS1型电力机车改进的基础上设计研制而成。机车持续功率4320kW，持续牵引力317.8kN，持续速度48km/h。最高速度为100km/h。6轴客货两用、C0-C0轴式，到1993年，该型机车共生产677台。韶山3型电力机车主要性能指标与70年代末，八十年代初国际上同类产品的水品相当。
(2) 自主研制
由系统引进国际先进技术到自主攻关研制出第三代多机型配套客货运电力机车。
1985年9月，第一台SS4型电力机车顺利落成，该车型投产后至1993年共生产158台。以此为起点，我国电力机车由第一代、第二代的单一机型，发展到第三代多机型配套，实现了电力机车的“从少到多”。
90年代以来，国产电力机车的研发重点由系统引进国际8K、6K、8G电力机车先进技术, 到自主攻关在第三代相控电力机车的技术完善、性能提高、功能配套上。第三代产品为多机型组成，其共同的特征是采用多段桥(3或4段)相控无级调压方式，构成B0-B0、C0-C0、B0-B0-B0、2(B0-B0)轴式，货运机车单轴功率为800 kW，客运机车单轴功率为900 kW。
(3) 国际合作、自主创新
加强国际合作坚持自主创新研制出国内外市场需求的交流传动电力机车。
第一至第三代产品均为交直传动方式，以仅调压调速方式和单轴功率等级来区分，而第四代电力机车产品的基本特征是以电传动方式来确定。交流电传动方式定为第四代产品标志，采用VVVF变频调速方式。
1996年6月，开发完成了我国第一台交流传动电力机车AC4000型(原型车)。机车功率4000，2B0转向架，异步牵引电动机1000 kW,交直交变流方式为四象限变流器加PWM逆变器，电制动方式为再生制动,制动功率3200 kW，辅助电源为GTO单/三相变流装置。
2000年6月，四轴DJ型高速客运交流传动机车试制成功。机车功率4800kW，持续速度84km/h，最大运行速度210km/h，起动牵引力264kN，持续牵引力206kN，再生制动功率4400kW，最大制动力150kN，采用水冷IPM模块组合VVVF调速控制的变流器，牵引电机弹性架承式结构、六连杆空心轴传动；采用MITRAC分布式微机控制，光纤MVB总线传输和WTB列车总线等先进技术。
2002年10月，270km/h的“中华之星”动力集中式DJJ2型高速电动车组动力车研制成功，采用国产化GTO水冷变流机组，1225kW大功率异步电动机，采用分布式微机网络控制系统、车辆级MVB总线和列车级WTB总线实现了全列车的网络控制、逻辑控制和自诊断功能。采用了宽车体鼓形断面、超轻量化薄壳整体承载结构和国内首次应用双拱流线型头形，转向架采用六连杆二级空心轴弹性传动，后置推挽式平牵引杆、整体轮及空心轴盘制动器、人字传动齿轮等先进技术。
2004年3月，KZ4A型交流传动客运机车竣工剪彩，该型机车用于哈萨克斯坦国家铁路干线牵引高速客运列车。机车持续功率4800kW，再生制动功率4400kW，持续牵引力206kN，轨距1520mm，主电路采用两台GTO变流器，每台变流器驱动一个转向架两台牵引电机，采用架控，机车辅助电路采用两台IGBT辅助逆变器供电，每台变流器分别由恒频恒压变流器（CVCF）与变频变压变流器（VVVF）两组模块构成；采用单侧齿轮，轮对空心轴弹性传动装置和中间推挽式牵引装置，牵引电机采用架承式悬挂。机车采用TECO2分布式微机网络系统，机车控制系统具有控制、诊断、监测、传输、显示和存储功能。
(4)重要命脉
第四代电力机车作为我国21世纪轨道交通的电力牵引运载工具。
它的先进性在于异步牵引电机拖动、变流器变频调速、微机控制和总线通讯、电机架悬式、轮对空心轴六连杆弹性传动、轮盘制动、低位斜牵引杆、人字橡胶簧柔性转向架、准流线型车体、顶盖夹层风道独立通风、辅助变流器供电等各项集成技术，都达到了国际先进水平，体现了我国第四代电力机车的技术水平在高起点上进步[3]。
1.4 本文研究内容与目标
本文将具体介绍电力电子器件在电力机车发展过程中的应用，并根据我国韶山系列电力机车详细介绍电力机车多桥式整流电路以及触发电路和保护电路的设计。为了满足谐波标准并减少无功分量，整流电路必须以很高的功率因数从电网吸收接近正弦的电流。而且，整流电路的转换效率一定要比较高、装置比较小、造价较低才能从市场上与其它整流装置相竞争。本研究的主要目的就是：提高三相整流桥的功率因数、减小电流谐波。其主要工作集中在一下四个方面：
(1) 研究了目前的三相整流电路的拓扑及其功率因数校正技术，并给出了各种整流电路及其功率因数校正的局限性和各自的优点。研究提高功率因数，减小谐波电流的方法。
(2) 对最近提出的工作于低频模式（一个工频周期开关几次）下单位功率因数三相桥式整流电路进行了详细地研究，指出了这种整流电路存在的缺陷。对该整流电路的工作原理进行详细地分析与研究，根据新的工作原理，将这种单位功率因数整流电路分成两部分：功率因数校正网络和常规整流网络。并在此基础上，为单位功率因数整流电路建立了精确的数学模型。
(3) 单位功率因数整流电路的输入电感是在额定负载下优化的，当负载发生变化时，其功率因数会降低，且其电流侧电压对负载的变化也很敏感。所以这一整流电路只能工作在很小的输出功率范围内。针对这种情况，基于前面的工作原理，常规整流网络向电网注入的谐波由功率因数补偿网络进行补偿。负载消耗的有功功率，由电网提供：功率因数补偿网络既不消耗有功功率也不向电网提供任何有功功率。根据功率平衡理论，在综合考虑了各种因素的条件下，提出了一种控制方法。在这一方法的控制下，双向开关工作在高频下，因此输入电感的电感值相应降低。另外该方法考虑了负载变化时电流的变化，参考电流的变化而变化，克服了负载的变化对功率因数带来的不良影响。利用这一控制方法，进行了仿真研究；并建立了新的控制方法下该整流电路的原理样机，实验和仿真结果都证明了：新的控制方法的输入电流几乎接近于正弦，功率因数得到提高。
(4) 根据IEEE-519标准对谐波电流畸变率的要求，提出了另一种控制方法。该方法综合考虑了单次谐波电流畸变率、总的电流畸变率、功率因数、有功消耗等性能指标，推导出最优补偿增益和相移。将三相负载电流通过具有最优电流补偿增益和相移的电流补偿滤波器，得到补偿后期望的电网电流，即功率因数补偿网络的参考补偿电流，进一步控制功率因数补偿网络。仿真和试验都收到了满意的效果。
本论文共分为五章。
第一章为预备知识，分析了课题提出的背景和意义。仔细研究了电力电子技术，并深入研究了我国电力机车发展史，及其适用的范围。在此基础之上，找到了一种最适合的整流及功率因数校正方式，即单位功率因数三相整流桥。
第二章至第四章为主要的研究结果。第二章分析了电力电子器件工作原理、主要特性及其重要参数，并在此基础上为整流电路建立了精确的数学模型；第三章详细介绍了单相整流电路，三相整流电路，相控电路，以第二章的工作原理和数学模型为基础，针对该整流电路在负载发生变化时，其功率因数会降低，以及只能工作在很小的输出功率范围的缺点，本文在考虑了这些因素之后，提出了一种控制方法。第四章综合考虑了单次谐波电流畸变率、总的电流畸变率、功率因数、有功消耗等性能指标的基础上，根据IEEE-519标准对谐波电流畸变率的要求，在MATLAB的Simulink环境中进行仿真，通过仿真验证了电路的可行性。第五章对全文进行总结并指出进一步研究工作的设想。2 电力电子器件
2.1 电力电子技术概述
2.1.1电力电子器件的发展
电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用，一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电器公司研制出的第一个晶闸管为标志的。但在晶闸管出现以前，用于电力变换的电子技术就已经存在了。
1904年出现了电子管，他能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，开创了电子技术的先河。后来出现了水银整流器，其性能和晶闸管相似，30年代到50年代，水银整流器发展迅速并且大量应用。这一时期，各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广泛应用。在这一时期，把交流变为直流的方法除水银整流器外，还有发展更早的变流机组。
1947年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，引发了电子技术的一场革命。最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管。晶闸管出现后，由于其优越的电气性能和控制性能，使之很快取代了水银整流器和旋转变流机组，并且其应用范围也迅速扩大。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管和晶闸管变流技术的发展而确立的。
晶闸管是通过对门极的控制使其导通而不能使其关断的器件，因而属于半控型器件，对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式。晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。
70年代后期，以门极可关断晶闸管(GTO)电力双极型晶体管(BJT)电力场效应晶体管(POWER-MOSFET)为代表的全控型器件迅速发展。全控型器件的特点是，通过对门极(极、栅极)控制既可使其开通又可使其关断。此外，这些器件的开关速度普遍高于晶闸管，可以用于开关频率较高的电路。
和晶闸管电路的相位控制方式相对应，采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制(PWM)方式。
80年代后期，以绝缘栅极双极晶体管(GBT)为代表的复合型器件异军突起。IGBT是MOSFET和BJT的复合。它把MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和BJT通态压降小、载流能力大的优点集于一身。与IGBT相对应，MOS控制晶闸管(MCT)和集成门极换流晶闸管(IGCT)都是MOSFET和GTO的复合，它们也综合了MOSFET和GTO两种器件的优点。
随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子电路的工作频率也不断提高。同时，电力电子器件的开关损耗也随之增大。为了减小开关损耗，软开关技术便应运而生，零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)就是软开关的最基本形式。从理论上讲，采用软开关技术可使开关损耗降为零，可以提高效率[4]。
2.2电力电子器件的应用
电力电子技术的应用十分广泛，可分为以下几个主要领域：
一般工业：直流电动机有良好的调速性能，给其供电的可控整流电源或直流斩波电源都是电力电子装置；近年来电力电子变频技术的迅速发展，使交流电机的调速性能可与直流电机媲美，交流调速技术大量应用并占据主导地位。几百瓦到数千千瓦的变频调速装置，软起动装置等；电化学工业大量使用直流电源，如电解铝、电解食盐水等。冶金工业中的高频或中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等场合，需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源。
交通运输：电气机车中的直流机车中采用整流装置，交流机车采用变频装置。直流斩波器也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆中的各种辅助电源也都离不开电力电子技术电动汽车的电机靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制，其蓄电池的充电也离不开电力电子装置。一台高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器和斩波器驱动并控制；飞机、船舶需要很多不同要求的电源，因此航空和航海都离不开电力电子技术；如果把电梯也算做交通运输，那么它也需要电力电子技术。以前的电梯大都采用直流调速系统，近年来交流变频调速成为主流。
电力系统：电力电子技术在电力系统中有非常广泛的应用。最终用户在使用电能时需要进行预处理。如降压、滤波、无功补偿等；据估计，发达国家在用户最终使用的电能中有60%以上至少经过一次电力电子变流装置的处理。电力系统在通向现代化的进程中，电力电子技术是关键技术之一。毫不夸张地说，离开电力电子技术，电力系统的现代化是不可想象的；直流输电(HVDC)在长距离、大容量输电有很大的优势，送电端的整流阀和受电端的逆变阀采用晶闸管变流装置；近年发展起来的柔性交流输电(FACTS)可以人幅度提高电网输电能力和稳定性；手段快速、精确、连续地控制大容量有功和无功等参数实现对系统潮流变化、功率流向、输送能力、阻尼振荡的性能加以改进和提高。如有源滤波器(APF Active Power Filter)可进行用户端的无功补偿和谐波抑制。
不间断电源(UPS)和各种开关电源：这一类的应用最为普遍各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型器件的高频开关电源。大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源现在也都采用高频开关电源。在各种电子装置中，以前大量采用线性稳压电源供电，由于高频开关电源体积小、重量轻、效率高，现在己逐渐取代了线性电源[5]。
家用电器:照明在家用电器中有卜分突出的地位。由于电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，通常被称为“节能灯”，正逐步取代传统的白炽灯和日光灯：变频空调器是家用电器中应用电力电子技术的典型例子之一。电视机、音响设备、家用计算机等电子设备的电源部分也都需要电力电子技术。此外，有些洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。
新能源的开发和利用：传统的发电方式是火力发电、水力发电以及后来兴起的核能发电。能源危机后，各种新能源、可再生能源及新型发电方式越来越受到重视。其中太阳能发电、风力发电的发展较快，燃料电池更是备受关注。太阳能发电和风力发电受环境的制约，发出的电力质量较差，常需要储能装置缓冲，需要改善电能质量，这就需要电力电子技术。当需要和电力系统联网时，也离不开电力电子技术;为了合理地利用水力发电资源，近年来抽水储能发电站受到重视。其中的大型电动机的起动和调速都需要电力电子技术。超导储能是未来的一种储能方式，它需要强大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术;核聚变反应堆在产生强大磁场和注入能量时，需要大容量的脉冲电源，这种电源就是电力电子装置。科学实验或某些特殊场合，常常需要一些特种电源，这也是电力电子技术的用武之地。
电力电子器件具体在变流技术及机车牵引领域的应用：
80年代以前，在机车牵引领域，电力电子器件主要用于直流传动系统中的整流器和斩波器以及辅助传动系统。电力电子器件主要是晶闸管。进入80年代以后，随着机车技术的发展，交流传动技术日趋成熟，电力电子器件又有了新的用武之地，其在牵引领域的应用主要包括:整流器、斩波器、电力制动、逆变器以及辅助传动系统。
这一时期在这些应用领域采用的电力电子器件主要是晶闸管和GTO。进入90年代以后，交流传动在电力机车、内燃机车及动车上得以大量地推广应用，使电力电子器件在机车牵引领域中有了史广阔的应用前景。
这一时期在牵引领域中主要采用的是GTO和IGBT。目前，对大功率的电力机车及内燃机车而言，GTO仍占据主导地位。如法国的TGV,德国的ICE高速列车以及美国的大功率内燃机车等。而在中小功率的机车、城市有轨电车、动车及地铁等领域，IGBT则愈来愈显示出其卓越的性能。在此方而，日本和法国具有成熟的运用经验，其IGBT变流器产品覆盖而极广，产量很大。
总之，电力电子技术的应用范围十分广泛。从人类对宇宙和大自然的探索，到国民经济的各个领域，再到我们的衣食住行，到处都能感受到电力电子技术的存在和巨大魅力。
2.3 晶闸管
晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称作可控晶整流器（Silicon Controlled Rectifier－SCR），以前被称作可控硅。在电力二极管开始得到应用后不久，1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管，到1957年美国通用电气公司开发出了世界上第一只晶闸管产品，并于1958年使其商业化。由于其开通时刻可以控制，而且各方面性能均明显胜过以前的汞弧整流器，因而立即受到普遍欢迎，从此开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代，其标志就是以晶闸管为代表的电力半导体期间的广泛使用，有人称之为继晶体管发明和应用之后的又一次电子技术革命。自20世纪80年代以来，晶闸管的地位开始被各种性能更好的全控型器件所取代，但是由于其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子技术中最高的，而且工作可靠。因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。
晶闸管主要用来组成整流、逆变、斩波、交流调压、变频等变流装置和交流开关以及家用电器实用电路等生活设施，由于上述装置特别是变流装置是静止型的，具有体积小、寿命长、效率高、控制性能好，并且无毒、无噪音、造价低、维修方便等优点，因此在各个领域都得到广泛地应用。
晶闸管这个名称往往专指晶闸管的一种基本类型——普通晶闸管。但从广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件[6]。
2.3.1晶闸管的结构与工作原理
晶闸管是一种大功率PNPN四层半导体元件，从外形上分有螺栓式与平板式两种。均有三个引出极，阳极（A）、阴极（K）和门极（G），其结构和电气图形符号如图2.1所示。大功率晶闸管工作时发热较大，因此必须安装散热器。螺栓式晶闸管是紧栓在铝制散热器上的，平板式则由二个彼此绝缘的散热器把晶闸管紧紧夹在中间。
晶闸管内部是PNPN四层半导体机构，分别命名为、、、四个区，引出三个极，阳极A，阴极K，门极G。四个区形成、、三个PN结。如果加正向电压（阳极高于阴极），则A、K两端之间处于阻断状态，只能流过很小的漏电流。如果加反向电压，则该器件也处于阻断状态，仅有极小的反向漏电流通过。当门极与阴极间加上正向电压，使门极G流入一定大小的电流晶闸管就会像二极管一样正向导通。由此可见，晶闸管与二极管一样具有单向导电特性，电流只能从阳极流向阴极。与二极管不同的是晶闸管具有正向阻断特性，仅当加上正向电压时管子还不能导通，必须同时加上门极电压，有足够的门极电流流入后才能使晶闸管正向导通。因此晶闸管具有正向导通的可控特性。

（a）结构图 （b）电气符号
图2.1 晶闸管的结构图与电气符号

晶闸管的导通工作原理可用双晶体管模型来解释，如图2.2所示。如在器件上取一倾斜的截面，则晶闸管可看作由和构成的两个晶体管、组合而成。如果外电路向门极注入电流，也就是注入驱动电流，则注入晶体管的基极，及产生电流，它构成晶体管的基极电流，如此形成强烈的正反馈，最后和进入完全饱和状态，即晶闸管导通。与二极管不同的是晶闸管具有正向阻断特性，仅当加上正向电压时管子还不能导通，必须同时加上门极电压，有足够的门极电流流入后才能使晶闸管正向导通。而要使晶闸管关断，必须去掉阳极所加的正向电压，或者给阳极施加反压，或者设法使流过晶闸管的电流降低到接近于零的某一数值以下，晶闸管才可关断。

（a）双晶体模型 （b）工作原理
图2.2 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
按晶闸管工作原理，可列出如下方程:
（2.1）
（2.2）
（2.3）
（2.4）
式中，和分别是晶体管和的共基极电流增益；和分别是和的共基极漏电流。由式（2.1）～式（2.4）可得
（2.5）
晶闸管的特性是：
在低发射极电流下是很小的，而当发射极电流建立起来后，迅速增大。因此，在晶体管阻断状态下，,而＋是很小的。由上式可以看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两晶体管漏电流之和。如果注入触发 电流使各个晶体管的发射极电流增大致＋去近于1的话，流过晶闸管的电流（阳极电流）将去近于无穷大，从而实现器件饱和导通。当然，由于外电路负载的限制，实际会维持有限值。
晶闸管在以下几种情况下也可能被触发导通：阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应；阳极电压上升率过高；结温较高；光直接照射硅片，即光触发。
2.3.2 晶闸管的基本特性
(1) 静态特性
正向特性：
时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压，则漏电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。导通期间，如果们门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。称为维持电流。当在晶闸管上施加反向电压时，其伏安特性类似二极管的反向特性。晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流通过。当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损坏。
晶闸管的门极触发电流是从门极流入晶闸管，从阴极流出的。阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端。门极触发电流也往往是通过触发电路在门极与阴极之间施加触发电压而产生的。从晶闸管的结构图可以看出，门极与阴极之间是一个PN结J3，其伏安特性称为门极伏安特性，如图2.3所示。为了保证可靠、安全的触发，门极触发电路所提供的触发电压、触发电流和功率都应限制在晶闸管门极伏安特性曲线中的可靠触发区内。

图2.3 晶闸管的伏安特性

反向特性：
反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。
(2) 动态特性
晶闸管的开通和关断的动态过程的物理机理是很复杂的，这里只能对其过程作一简单介绍。图2.4给出了晶闸管开通和关断过程的波形。其开通过程描述的是使门极在坐标原点时刻开始受到理想阶跃电流触发的情况；而关断过程描述的是对已导通的晶闸管，外电路所加电压在某一时刻突然由正向变为反向（如图中点划线波形）的情况。
① 开通过程
由于晶闸管内部的正反馈过程需要时间，再加上外电路电感的限制，晶闸管受到触发后，其阳极电流的增长不可能是瞬间的。从门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%，这段时间称为延迟时间，与此同时晶闸管的正向压降压也在减小。阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间称为上升时间。
延迟时间：
上升时间：
开通时间以上两者之和：

图2.4 晶闸管的开通和关断过程波形

② 关断过程
原处于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正向变为反向时，由于外电路电感的存在，其阳极电流在衰减时必然也是有过渡过程的。阳极电流将逐步衰减到零，然后同电力二极管的关断动态过程类似，在反方向会流过反向恢复电流，经过最大值后，再反方向衰减。同样，再回复电流快速衰减时，由于外电路电感的作用，会在晶闸管两端引起反向的尖峰电流。最终反向恢复电流衰减至接近于零，晶闸管恢复其对反向电压的阻断能力。从正向电流将为零，到反向恢复电流率减至接近于零的时间，就是晶闸管的反向阻断恢复时间。反向恢复过程结束后，由于载流子复合过程比较慢，晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间，这叫做正向阻断恢复时间。在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通，而不是受门极电流控制而导通。所以实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向压力，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作。
反向阻断恢复时间：
正向阻断恢复时间：
关断时间为以上两者之和：
普通晶闸管的关断时间约为几百微妙
2.3.3晶闸管的主要参数
电压定额
断态重复峰值电压：
在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。国标规定重复频率为50Hz，每次持续时间不超过10ms。规定短路重复峰值电压为断态不重复峰值电压（即断态最大瞬时电压）的90%。断态不重复峰值电压应低于正向转折电压，所留裕量大小由生产厂家自行规定。
反向重复峰值电压：