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第六节晶闸管及其整流电路晶闸管又称可控硅，是目前半导体器件从弱电进入强电领域，制造技术最成熟、应用最广泛的器件之一。
晶闸管分普通晶闸管和特种晶闸管，特种晶闸管有快速晶闸管、双向晶闸管、可关断晶闸管等，人们所说的晶闸管是指普通型晶闸管。
一、晶闸管的外形、结构和符号晶闸管由三个PN结和四层半导体材料组成。
晶闸管的三个电极分别为阳极（A）、阴极（K）、控制极（G）。
三个PN结分别为J1、J2和J3。
晶闸管的符号与二极管相似，只是在其阴极处增加一个控制极，表明其导通的条件除了和二极管一样需要正向偏置的电压外，还需另外增加一个条件，那就是要有控制信号。
二、晶闸管的工作原理晶闸管可以理解为一个受控制的二极管，它也具有单向导电性，不同之处是除了应具有阳极与阴极之间的正向偏置电压外，还必须给控制极加一个足够大的控制电压，在这个控制电压作用下，晶闸管就会像二极管一样导通了，一旦晶闸管导通，控制电压即使取消，也不会影响其正向导通的工作状态。
晶闸管工作原理可用如图所示的实验电路验证。
图（a）所示为晶闸管反向偏置情况，无论是否给控制极加电压，都无法使晶闸管导通，灯泡不发光。
图（b ）所示为晶闸管加正向偏置电压，阳极A 接高电位，阴极K 接低电位，但控制极G 没有接任何电压，晶闸管仍然处于关断状态，串联的灯泡不发光。
图（c ）所示为晶闸管加正向偏置电压的基础上，给控制极G 加一个幅度和一个宽度都足够大的正电压，此时晶闸管导通，串联的灯泡发光。
图（d ）所示为晶闸管导通后，若去掉控制极的电压，晶闸管仍然能保持导通状态，灯泡仍然发光。
综上所述，要使晶闸管由阻断状态变为导通状态，必须在晶闸管上加正向电压的同时，在控制极上加适当的正向触发电压，这样才能使晶闸管导通，一旦晶闸管导通，控制极就失去了控制作用。
要注意的是，晶闸管导通后若阳极电流小于某一个很小的电流I H (称为维持电流)时，晶闸管也会由导通变为截止，一旦晶闸管截止，必须重新触发才能再次导通。
浅析晶闸管整流器过电流保护整流器中的晶闸管在承受过电流和电压能力较差，毫秒级的过电压和电流有可能造成晶闸管的损坏，在实践工作中引用整流器要充分考虑到晶闸管的安全裕量外还应该采取多种保护措施确保整流器的顺利运行。
标签：晶闸管；过电流；保护；快速熔断晶闸管如果承受电压超过反向击穿电压时会击穿；承受正向电压超过正向转折电压时会使晶闸管硬开通，造成电路工作失常，多次硬开通还会损坏晶闸管。
晶闸管整流器稳流精度高，响应时间快，电流调节平滑连续，整流效率高，运行成本较低，对电网及其他机组不造成冲击，避免故障扩大化，减少了系统的维修频率。
以下是对超高功率晶闸管整流器的过电流分析与研究。
一、过电流保护方法对于整流设备来说过电流故障氛围外部故障和内部故障，外部故障多是直流侧短路，故障电流数值由短路电路参数决定。
内部故障多为整流电路中元件功能丧失造成的短路。
过电流保护要在短时间内切断短路电流保护整流器。
熔断器应既满足上游保护在熔断器熔断前不跳闸，又满足熔断器熔断前下游保护有足够的时间动作。
在这种情况下，因为下游保护快于熔断器的动作频次，熔断器和整流器的下游继电器的协同作用不是问题。
对于原型系统来说，电流分布为：1.额定线电流大约为450A（有效值）。
2.初始电流在5-10ms内大约为1500A（有效值）（因为初始电容通过整流器PEBB充电）。
3.故障电流大约为10-30kA。
因此，可以选用额定值为500E的熔断器，在原型系统中采用GE公司的9F62系列的EJO-1型熔断器。
图1为常見整流器过电流保护措施。
图1 整流器过电流保护措施二、过流继电器保护过电流信号来此交流侧电流互感器次级，当遇到交流电流超过阀定值的时候，过电流继电器产生作用，切断电源。
过电流继电器动作时间可以达到100μs 到200μs，此种保护方法作为外部和内部过电流保护。
直流快速开关保护，将直流快速开关接到整流器直流侧，这种保护多用于故障概率高的场合，直流快速开关能够在有过电流时及时切除外部故障设备，直流快速开关的动作时间<30ms。
上海交通职业技术学院学生毕业论文毕业论文题目晶闸管的基础知识和在可控整流技术方面的应用专业港口物流设备与自动控制学号0910032姓名指导老师目录目录 (1)摘要 (2)1 绪论 (3)1.1 课题背景及发展方向 (3)1.2 本文主要工作 (3)2 晶闸管元件 (4)2.1晶闸管元件简介 (4)2.1.1.单向晶闸管的工作原理和主要参数 (4)2.1.2 双向晶闸管的工作原理和主要参数 (7)3.晶闸管的应用 (10)3.1 单相半波可控整流电路 (11)3.1.1电阻性负载 (11)3.1.2电感性负载及续流二极管 (13)3.1.3反电动势负载 (17)结束语 (19)参考文献 (20)致谢 (21)晶闸管的基础知识和在可控整流技术方面的应用李坤清摘要：晶闸管是晶体闸流管的简称，俗称可控硅整流器（SCR ,SiliconControlled Rectifier）,简称可控硅，其规范术语是反向阻断三端晶闸管。
晶闸管是一种既具有开关作用，又具有整流作用的大功率半导体器件，应用于可控整流变频、逆变及无触点开关等多种电路。
对它只要提供一个弱点触发信号，就能控制强电输出。
所以说它是半导体器件从弱电领域进入强电领域的桥梁。
目前为止，晶闸管是电子工业中应用最广泛的半导体器件，尽管有各种不同的新型半导体材料不断出现，但半导体材料中98%仍是硅材料，硅材料仍是集成电路产业的基础，其中晶闸管具有体积小、重量轻、功率高、寿命长等优点而得到广泛应用。
晶闸管的作用主要有以下几种，1.变流整流，2.调压，3. 变频，4.开关（无触点开关）。
普通晶闸管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、逆变、电机调速、电机励磁、无触点开关及自动控制等方面。
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。
晶闸管整流器工作原理
晶闸管整流器是一种电力变流器件，其工作原理基于晶闸管的导通和关断。
晶闸管是一种具有双向导通特性的半导体器件，可以通过控制电压施加或去除晶闸管上的控制电流来实现其导通和关断。
晶闸管整流器通常包括一个输入变压器、几个晶闸管和一个滤波电容。
工作原理如下：
1. 输入电压经过变压器降压，并经由一个或多个晶闸管控制电路施加在晶闸管的控制极上。
2. 当晶闸管的控制极上施加正向控制电压时，晶闸管会导通，电流可以从晶闸管的主极流过。
这时输入电压可以通过晶闸管到达输出负载。
3. 当输入电压的波形经过半个周期后，晶闸管的控制电流会被去除，导致晶闸管关断。
这样，晶闸管之后的电流就会停止流动。
4. 在输入电压的另一半周期内，晶闸管仍然是关断的，输入电压无法通过晶闸管到达输出负载。
5. 这个过程会反复进行，实现输入电压的整流，即将交流电转换为直流电。
6. 为了平滑输出，通常会在输出端添加一个滤波电容，用于平衡输出电流。
综上所述，晶闸管整流器通过控制晶闸管的导通和关断来实现
对输入电压的整流转换。
它是一种可靠、高效的电力变流器件，在工业和电力领域得到广泛应用。
晶闸管的工作原理与应用1 晶闸管(SCR)晶体闸流管简称晶闸管,也称为可控硅整流元件(SCR),是由三个PN结构成的一种大功率半导体器件。
在性能上,晶闸管不仅具有单向导电性,而且还具有比硅整流元件更为可贵的可控性,它只有导通和关断两种状态。
晶闸管的优点很多,例如:以小功率控制大功率,功率放大倍数高达几十万倍;反应极快,在微秒级内开通、关断;无触点运行,无火花、无噪声;效率高,成本低等。
因此,特别是在大功率UPS供电系统中,晶闸管在整流电路、静态旁路开关、无触点输出开关等电路中得到广泛的应用。
晶闸管的弱点:静态及动态的过载能力较差,容易受干扰而误导通。
晶闸管从外形上分类主要有:螺栓形、平板形和平底形。
2 普通晶闸管的结构和工作原理晶闸管是PNPN四层三端器件,共有三个PN结。
分析原理时,可以把它看作是由一个PNP 管和一个NPN管所组成,其等效图解如图1(a)所示,图1(b)为晶闸管的电路符号。
2.1 晶闸管的工作过程晶闸管是四层三端器件,它有J1、J2、J3三个PN结,可以把它中间的NP分成两部分,构成一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管。
当晶闸管承受正向阳极电压时,为使晶闸管导通,必须使承受反向电压的PN结J2失去阻挡作用。
每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流。
因此是两个互相复合的晶体管电路,当有足够的门极电流Ig流入时,就会形成强烈的正反馈,造成两晶体管饱和导通。
设PNP管和NPN管的集电极电流分别为IC1和IC2,发射极电流相应为Ia和Ik,电流放大系数相应为α1=IC1/Ia和α2=IC2/Ik,设流过J2结的反相漏电流为ICO,晶闸管的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总和:若门极电流为Ig,则晶闸管阴极电流为:Ik=Ia+Ig。
因此,可以得出晶闸管阳极电流为:硅PNP管和硅NPN管相应的电流放大系数α1和α2随其发射极电流的改变而急剧变化。
当晶闸管承受正向阳极电压,而门极未接受电压的情况下,式(1)中Ig=0,(α1+α2)很小,故晶闸管的阳极电流Ia≈ICO,晶闸管处于正向阻断状态;当晶闸管在正向门极电压下,从门极G流入电流Ig,由于足够大的Ig流经NPN管的发射结,从而提高放大系数α2,产生足够大的集电极电流IC2流过PNP管的发射结,并提高了PNP管的电流放大系数α1,产生更大的集电极电流IC1流经NPN管的发射结,这样强烈的正反馈过程迅速进行。
晶闸管是一种具有双向导电特性的半导体器件，常用于电力电子领域中的整流电路。
下面是一个基本的晶闸管整流电路应用设计：
单相半波整流电路：
电路图：将负载（如电阻或电感）与一个晶闸管和一个二极管连接，晶闸管的控制端与触发电路相连，形成单相半波整流电路。
原理：晶闸管作为开关元件，通过控制其触发角来控制电路的导通和截止。
当晶闸管触发时，电流从正向流入负载，当电流减小到零时，晶闸管将自动截止，负载电压为零，从而实现了半波整流。
单相全波整流电路：
电路图：将负载与两个晶闸管和两个二极管组成一个桥式整流电路，晶闸管的控制端与触发电路相连。
原理：通过控制晶闸管的触发角来实现桥式整流。
当一个晶闸管导通时，电流从正向流入负载，另一个晶闸管被截止。
当触发角变化时，另一个晶闸管导通，电流方向改变，从而实现了全波整流。
三相桥式整流电路：
电路图：将负载与六个晶闸管和六个二极管组成一个三相桥式整流电路，晶闸管的控制端与触发电路相连。
原理：通过适时触发晶闸管，实现三相交流电源的整流。
通过控制各个晶闸管的导通和截止，实现对负载的电流方向和大小的控制。
需要注意的是，在实际设计中，还需考虑电路的保护、电压、电流的变化范围、触发电路的设计等因素，以确保电路的正常工作和安全性。
此外，还可根据具体需求添加滤波。
晶闸管工作原理晶闸管是一种电子器件，它在电子学和电力控制领域有着广泛的应用。
晶闸管能够控制大电流和高电压，因此在电力传输和电动机控制等方面扮演着重要角色。
本文将详细介绍晶闸管的工作原理，以及它在不同应用领域中的工作方式。
晶闸管的基本结构由四个层组成：N型区域，P型区域，P型区域和N型区域。
晶闸管一般是通过控制一个电极上的电流来实现对另一个电极上电流的控制。
这个电极被称为“控制电极”或“闸极”，而另外两个电极分别是“阳极”和“阴极”。
当闸电流被施加在晶闸管的闸极上时，晶闸管处于关断状态，此时正向电压施加在阳极上，而阴极则是负电压。
在关断状态下，晶闸管会阻断正向电流，类似于电子开关。
当闸电流被去除或减小到一个可忽略的水平时，晶闸管的工作状态将发生变化。
当前向电流施加在阳极上时，P型的区域成为一个PN结，此时称为“在态”或“导通态”。
在导通状态下，晶闸管将允许正向电流流动。
晶闸管的转换过程是通过两种方式实现的：转流和转向。
转流是指将电流从晶闸管的阳极转移到阴极，而转向则是指将电流从阳极转移到阴极。
当闸电流被去除时，转流是通过重新注入电流来实现的。
当闸电流被减小到可忽略的水平时，转向是通过向晶闸管施加反向电压来实现的。
晶闸管通常在交流电路中被广泛应用。
在交流电路中，晶闸管可以控制电流的相位，以实现电压和电流的控制。
这使得晶闸管成为一种重要的电力控制器件。
晶闸管还可用于直流电路中，尤其是在工业自动化和电动机控制领域。
尽管晶闸管在许多应用领域中具有广泛的应用，但是在实际应用中仍然存在一些问题。
其中之一是晶闸管的损耗问题。
晶闸管在导通过程中会有一定的导通压降，从而产生额外的损耗。
此外，晶闸管还需要适当的散热措施，以确保其正常工作。
综上所述，晶闸管是一种重要的电力控制器件，它通过控制闸电流来实现电流的控制。
晶闸管的工作原理涉及其基本结构以及电流的转流和转向过程。
晶闸管在交流电路和直流电路中都有着广泛的应用，尤其在电力传输和电动机控制领域。
DOI:10.16525/ki.14-1362/n.2019.01.34总第175期2019年第1期Total of 175No.1，2019应用推广收稿日期：2018-12-06第一作者简介：葸代其（1987—），男，毕业于兰州交通大学，本科，工程师，研究方向为晶闸管。
机车用晶闸管整流器原理分析及其控制策略葸代其，张宇龙，李东，王武俊（中车永济电机有限公司，陕西西安710000）摘要：首先介绍了晶闸管整流器的电路拓扑，然后在对晶闸管整流器的原理进行分析的基础上确定了整流器的控制策略，最后通过半实物仿真对整流器及其控制策略进行了测试，测试结果验证了理论分析的正确性和控制策略的有效性。
关键词：晶闸管；半控整流器；PI 控制；半实物仿真中图分类号：TM46文献标识码：A文章编号：2095-0748（2019）01-0080-02现代工业经济和信息化Modern Industrial Economy and Informationization 引言根据拓扑结构的不同，机车辅助变流器可分为从变压器辅助绕组取电和从牵引变流器中间回路取电两种方式。
在从变压器辅助绕组取电的电路拓扑中，一般由整流器将变压器辅助绕组的单相交流电整流为直流电，再经逆变器输出三相交流电供负载使用。
为了输出质量较好的三相电压，需要整流器将辅助中间电压控制在一个稳定的电压值。
然而机车接触网电压变化范围宽，且客观存在接触网的电压波动、谐波污染、频率变化等均为整流器的控制带来一定难度。
本文详细介绍一种机车辅助用晶闸管整流器及其控制策略，在理论分析的基础上给出试验结果[1]。
1晶闸管整流器的电路拓扑晶闸管整流器拓扑如图1所示，前桥臂器件为晶闸管，后桥臂由两个二极管构成。
整流器得输入为变压变压器次边绕组电压U ac ，交流电通过晶闸管桥式半控整流器后输出波动的直流电U d ，经过直流母线上LC 滤波后输出稳定的直流电U dc 。
2原理分析实际应用中，通过控制晶闸管开通的导通角度，就可以达到控制输出电压U dc 大小的目的。
晶闸管在承受正向电压时且门极进行脉冲触发时导通，在其电流下降为接近零时关断注。
定义晶闸管导通角为α，直流电感电流I L 减为零时对应的角度为停止导电角θ。
在图1中，U ac 的正半周期，在控制角α时，触发晶体管T 1导通，电流经过T 1、L 、D 2流通，。
此时a 点电位高于b 点，U d >U dc ，电感上的电流I L 上升；当U d =U dc 时，电流上升到最大值；之后U d <U dc ，电流I L 下降。
在U ac 的负半周期，在仔+α时触发晶体管T 2，此时b 点电位高于a 点电位，电流经D 1、L 、T 2流通，电压电流变化与正半周期相似。
对整流器的运行工况进行：1）U d >U dc 时电感上的电流I L 上升；当U d =U dc 时，I L 上升到最大值；之后U d <U dc ，I L 下降。
I L 减小为零时，电感上电压为零，U d =U dc 。
2）电感电流I L 分为连续和断续的工况：以U ac正半周期为例，若在负半周下管导通前I L 降为零，则电流断续；反之则I L 连续。
电流断续出现在输入电压较大，带载较轻的工况。
3）若晶闸管因承受反向电压关断时I L 还未降为零，则电流I L 经D 1、D 2完成续流，此时忽略二极管压降，U d =0。
3整流器的控制策略整流器的控制是在输入电压范围内不同电压情况下，控制晶闸管的导通，实现出电压U dc 的稳定。
由于直接被控制的为晶闸管的触发角α，可以通过PI 闭环控制器调节触发角度，进而实现对直流侧输出电压进行控制，如下页图2所示[2]。
I LT 1U ac T 2D 1D 2U db U dcCLa图1晶闸管整流器主电路拓扑2019年第1期（下转第84页）图中T （s ）是低通滤波器的传递函数，滤波器用于滤除直流电压的二次纹波。
直流侧电压U out 经过采样滤波后，与参考值U ref 进行比较生成误差值e ，经过PI 控制器H （s ）后被放大，用PI 环节的输出计算晶闸管的触发角琢。
由于触发角计算后需要在输入电压的准确位置发出触发脉冲，因此需要检测输入电压的相位，该项功能在由软件锁相环PLL 实现[3]。
4试验测试利用DSP28335实现整流器相关参数的采集以及控制计算，搭建主电路测试模型进行半实物试验。
控制脉冲为DSP 完成控制计算后用FPGA 芯片产生的脉冲序列，脉冲被送入放半实物仿真机对主电路进行驱动控制。
测试电路相关参数如表1。
分别在满载、轻载情况下进行半实物仿真测试，测试结果如图4、图5所示。
图中由上而下分别为输入电压U ac 、输入电流、整流后电压U d 和滤波电抗器电流（蓝色）和输入电压（红色）。
由图4可知，额定负载时，在电压范围内，输入电压的正周期结束时输出电压U d 为零，滤波器上的输出电流开始下降，但是在负半周期导通角到来时输出电流未下降到零，不存在断续情况。
图5显示，轻载情况下，输入电压1000V 时输出电流临界连续，输入电流1250V 时输出电流出现断续的情况。
输入电压最大为1250V 、轻载的极端情况下输电流出现断续。
图4—图5中测试结果显示，在输入电压范围内，不论输出电流连续还是断续，输出电压均保持稳定。
5结论测试结果显示输入电压越大时，负载越小时整流器的输出电流越易产生断续的情况，试验结果与分析相一致；另外，在不同的工况下，不论输出电流断续与否，电压PI 调节闭环+锁相环的的控制策略实现了对整流器输出电压的稳定控制，能够取得良好的控制效果。
参考文献[1]陈坚.电力电子学———电力电子变换和控制技术[M].北京:高等教育出版社，2002.[2]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社，2009.[3]张军伟，王兵树，刘治安，等.单相电压型PWM 整流电路原理分析与仿真[J].电源技术，2009（8）：186-189.（编辑：刘楠）u refeu acH （s ）u dcT （s ）Trigger PLL 触发脉冲图2晶闸管整流器控制框图序号参数名称参数值1输入电压U ac AC 830-1250V 2输出电压U dc DC 750V 3负载容量额定130KVA表1测试电路主要参数图4输入电压1000V 额定负载测试波形5-1输入电压1250V 轻载5-2输入电压1000V 轻载图5轻载载测试波形CH1CH2CH3CH4CH56.0933V 6.0400V 206.27V 3.9917V 35.920VCH1CH2CH3CH4CH5 5.1467V 2.9067V 100.27V 1.9555V 35.820VCH1CH2CH3CH4CH55.1467V 2.9067V 100.27V 1.9883V 35.820V-4.08000V -1.0083V -193.73V -13.960V -33.907V-4.08000V -511.67V -99.733V -7.0933V -34.853V-4.08000V-511.67V -99.733V -7.0933V -34.853V葸代其，张宇龙，李东，等：机车用晶闸管整流器原理分析及其控制策略81··第9卷现代工业经济和信息化xdgyjjxxhx@Principle Analysis and Control Strategy of Thyristor Rectifier forlocomotiveXi Daiqi,Zhang Yulong,Li Dong,Wang Wujun （CRRC Yongji Electric Co.,Ltd.,Xi'an Shaanxi 710000）Abstract:Firstly,the circuit topology of thyristor rectifier is introduced,then the control strategy of thyristor rectifier is determined based on the analysis of the principle of thyristor rectifier.Finally,the rectifier and its control strategy are tested by hardware-in-the-loop simulation.The test results verify the correctness of the theoretical analysis and the effectiveness of the control strategy.Key words:thyristor;semi-controlled rectifier;PI control;hardware-in-the-loop simulation（上接第81页）3结语现有的电缆局部放电检测方法较多，各种检测技术均有其有特点，但目前没有哪种技术能完全解决电缆局放检测的难题。
电缆局部放电多传感器综合检测技术是一种发展趋势，多种检测手段综合并用，可以提高检测可靠性，避免“漏报”和“误报”情况发生。
除了综合检测技术外，在高灵敏度传感器技术、高精度去燥技术等方面，也有待进一步发掘和完善。
参考文献[1]罗俊华，冯江，袁检，等.交联聚乙烯电缆局部放电高频检测技术的研究[J].电网技术，2001，25（12）：42-43.[2]Uwe Schichler.A Sensitive Method for On-site Partial DischargeDetection on XLPE Cable Joint[C]//Proceedings of the 5th Inter-national Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials ，May 22,1997,Seoul,Korea.1997:1099-1100.[3]Tenbohlen S,Denissov D,Hoek S M,et al.Partial discharge mea-surement in the ultra-high frequency (UHF)range [J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2008，15（2）：1544-1545.[4]Heizmann Th ，Aschwanden Th ，Hahn H ，et al.On-site partial dis-charge measurements on premoulded cross-bonding joints of 170kv XLPE and EPR cables [J].IEEE Transactions on Power and Delivery,1998，13（2）：330-335.（编辑：赵琳琳）Research on Partial Discharge Detection Technology of XLPE CableChen Hao（UHV Transmission Company,China Southern Power Grid Co.,Ltd.,GuangzhouGuangdong 510000）Abstract:Partial discharge detection technology has become a powerful means for cable insulation condition assessment and diagnosis,and has been widely used at home and abroad.Firstly,the formation mechanism of cable partial discharge is explained,then several common detection methods of cable partial discharge at home and abroad are introduced,including pulse current method,UHF method,differential method,capacitance coupling method,ultrasonic method,etc.The various technical principles are explained,and the application scope,technical advantages and disadvantages are analyzed.Finally,the future development direction of detection technology of cable partial discharge is prospected.Key words:partial discharge;UHF;ultrasound;discharge mechanism84··。
