晶閘管在電力穩壓器中的應用

The Use of Thyristor in Power Voltage Regulator

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摘要：在所研制的新型無觸點電力穩壓器中，采用晶閘管作為開關器件。文中介紹該系統基本工作原理，詳細分析晶閘管在使用過程中存在的一些問題及解決方法。

Abstract： Use the thyristor as switch devices in researched and produced new type contactless power stabilized voltage supply.The paper introduced this systematic fundament of the work,analyed in detail some problems in operation and their solutions.

關鍵詞：穩壓器晶閘管使用問題Keywords:Stabilized voltage supply， Thyristor， Problems in operation

1引言

　　目前流行的電力穩壓器大多采用伺服電機帶動炭刷移動調整電壓。它具有整機效率高、輸出波形好、電路簡單等優點，但由于有炭刷和機械傳動造成其工作壽命短、響應速度慢待等問題。用“無觸點”取代“炭刷”是目前大功率電力穩壓器的發展方向。所說的“無觸點”是指主電路中的交流開關采用如晶閘管之類的器件，利用微電腦邏輯控制進行調壓。用無觸點控制取代伺服電機及炭刷進行調壓，從而延長使用壽命、加快響應速度、提高可靠性。

2系統基本原理

　　穩壓器由主電路、8031單片機、檢測電路、控制電路、驅動及報警接口電路等單元構成。如圖1所示。

圖中各電壓相量有如下關系：

圖1穩壓原理圖

i=△＋o

　　由圖1可見，通過電腦控制的電壓采樣電路檢測出需要補償的電壓△U，由控制系統改變雙向晶閘管S1～S6的導通組合來補償輸入電壓（Ui）或者負載變化，使穩壓器的輸出電壓（Uo）保持穩定，從而達到穩壓的目的。為使操作、維護簡單易行，充分利用微電腦功能強大的特點，設置了完善的自檢功能。

3晶閘管應用中幾點值得注意的問題

3.1觸發驅動問題

　　晶閘管作為開關器件，當觸發脈沖的持續時間較短時，脈沖幅度必須相應增加，同時脈沖寬度也取決于陽極電流達到擎住電流的時間。在本系統中，由于感性負載的存在，陽極電流上升率低，若不施加寬脈沖觸發，則晶閘管往往不能維持導通狀態。考慮負載是強感性的情況，本系統采用高電平觸發，其缺點是晶閘管損耗過大。

3.2晶閘管阻斷問題

　　晶閘管是一種開關器件，應用過程中，影響關斷時間的因素有結溫、通態電流及其下降率、反向恢復電流下降率、反向電壓及正向dv/dt值等。其中以結溫及反向電壓影響最大，結溫愈高，關斷時間愈長；反壓越高，關斷時間愈短。

在系統中，由于感性負載的存在，在換流時，電感兩端會產生很大的反電勢。這個異常電壓加在晶閘管兩端，容易引起晶閘管損壞。為了防止這種情況，通常采用浪涌電壓吸收電路。

3.3dv/dtdi/dt效應問題

　　晶閘管的斷態電壓臨界上升率dv/dt較大的時候，有可能在比它的正向轉折電壓低得很多的電壓下導通。如果電路上的dv/dt超過器件允許的dv/dt值時，晶閘管就會誤導通而失去阻斷能力。在應用電路中，將晶閘管的門極通過電阻與陰極相連，從外部將位移電流旁路掉，以防止dv/dt引起的誤導通。

di/dt過大容易造成晶閘管擊穿，在電路中采用前沿陡的高電平觸發以增大初始導通面積，從而改善di/dt容量。

由于dv/dt過大引起的誤導通和di/dt過大引起的晶閘管擊穿現象，其后果是十分嚴重的。通過原理電路可以看出，這種情況的出現會使變壓器短路而產生“環流”，造成晶閘管甚至變壓器的損壞。在電路設計中，采用可靠的晶閘管通斷檢測措施，避免這種現象的發生。

3.4過電壓、過電流保護措施

　　過電壓的產生，主要有以下原因：

（1）變壓器投入時的浪涌電壓；

（2）變壓器抽頭轉換時產生的浪涌電壓；

（3）雷擊侵入時的浪涌電壓；

（4）直流回路斷開時產生的浪涌電壓。

　　在電路中，加入浪涌吸收器可以吸收變壓器一次系統電磁轉移而侵入的浪涌電壓，同時還能吸收變壓器通斷時產生的磁能。為避免雷擊侵入產生的浪涌電壓，可采用半導體避雷器。

　　消除環流是該穩壓器的一大關鍵問題，為了解決這一難題，我們采取了如下技術措施：

　　（1）確保晶閘管的觸發信號可靠。利用軟件濾波程序使輸出觸發控制信號每組只有一個有效，其次利用74LS273和研制的防環流邏輯電路（PAL16V8），以確保即使單片機失控的情況下也不會出現誤觸發。另外，觸發信號引線采用屏蔽線等措施，防止干擾。

　　（2）確保轉換可靠。在正常工作時，經常要改變補償電壓的大小，即要調整晶閘管的導通組合，如：使S1導通換為S2導通，則必須在關斷S1的同時給S2觸發控制信號，實現晶閘管的轉換。如果轉換的時機或者組合不當就會形成環流，損壞晶閘管。在設計中采用了零點切換技術，即在電流過零時讓S1自然關斷，同時觸發S2使其導通。由此可見，在轉換過程中最關鍵的是準確檢測電流過零信號。為此，采取軟、硬件結合及互鎖技術，確保過零信號的準確無誤。實際運行表明：上述技術成功地解決了環流問題。

3.5感性負載的影響

　　由于感性負載的存在，應考慮加大觸發脈沖寬度，否則晶閘管在陽極電流達到擎住電流之前，觸發信號減弱，可能會造成晶閘管不能正常導通。在關斷時，感性負載也會給晶閘管造成一些問題。

　　在實際系統中，采用高電平觸發，以確保晶閘管可靠導通。為保證晶閘管轉換過程中不產生關斷失敗現象，采用可靠的互鎖技術，以確保晶閘管不損壞。

3.6過零開關技術

　　在調壓過程中，通過過零檢測技術來控制晶閘管門極觸發信號，保證其過零時通斷，避免調壓過程中由于晶閘管開關對電網造成的污染。

4結語

　　由于采取一系列技術措施解決了晶閘管應用過程中存在的問題，使這種電源在技術上十分成熟。我們研制的這種電源已于1995年通過了有關部門組織的技術鑒定，現已投入批量生產。

參考文獻

1嚴振華，周銘等．一種新型電腦控制電力穩壓電源．電力電子技術，1998.4

2沈耀忠，任志純．半導體開關元件原理及應用．電子工業出版社，1996.6