一、 晶闸管基本知识

  晶闸管(Thyristor)是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅;1957年美国通用电器公司开发出晶闸管产品，并于1958年使其商业化;晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极;晶闸管工作条件为：加正向电压且门极有触发电流。其派生器件有：快速晶闸管，双向晶闸管，逆导晶闸管，光控晶闸管等。它是一种大功率开关型半导体器件，在电路中用文字符号为“V”、“VT”表示(旧标准中用字母“SCR”表示)。 晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制，被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。 1、晶闸管分类

  (1)按关断、导通及控制方式分类 晶闸管按其关断、导通及控制方式可分为普通晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、门极关断晶闸管(GTO)、BTG晶闸管、温控晶闸管和光控晶闸管等多种。

  (2)按引脚和极性分类 晶闸管按其引脚和极性可分为二极晶闸管、三极晶闸管和四极晶闸管。

  (3)按封装形式分类 晶闸管按其封装形式可分为金属封装晶闸管、塑封晶闸管和陶瓷封装晶闸管三种类型。其中，金属封装晶闸管又分为螺栓形、平板形、圆壳形等多种;塑封晶闸管又分为带散热片型和不带散热片型两种。

  (4)按电流容量分类 晶闸管按电流容量可分为大功率晶闸管、中功率晶闸管和小功率晶闸管三种。通常，大功率晶闸管多采用金属壳封装，而中、小功率晶闸管则多采用塑封或陶瓷封装。

  (5)按关断速度分类 晶闸管按其关断速度可分为普通晶闸管和高频(快速)晶闸管。

  2、晶闸管工作条件

  由于晶闸管只有导通和关断两种工作状态,所以它具有开关特性,这种特性需要一定的条件才能转化,此条件如表1所示。

  表1 晶闸管工作条件 状态 条件 说明 从关断到导通

  (1)阳极电位高于阴极电位

  (2)门极有足够的正向电压和电流 两者缺一不可 维持导通 (1)阳极电位高于阴极电位 (2)阳极电流大于维持电流 两者缺一不可 从导通到关断 (1)阳极电位低于阴极电位 (2)阳极电流小于维持电流 任一条件即可 二、晶闸管在高压软起动中的应用 随着国民经济的高速发展，高压电动机的数量不断增加。由于大电机直接起动时的电流为额定电流的5～7倍，而启动转矩只有额定转矩的0.4～1.6倍。它在电网条件(电机启动时的电网压降小于10%)和工艺条件(启动转矩满足)允许的情况下，可以直接启动。但过大的启动电流、过小的启动转矩和过长的启动时间给电机和电网造成了极大的危害。因此，必须在电源和电机之间串入软起动器来解决这些问题。 晶闸管电机固态软起动器(以下简称高压软启动)的出现，很好的解决了以上问题，它弥补了传统软起动器的各种不足，很好地降低了电机的起动电流，降低了配电容量，延长了电机及相关设备的使用寿命，并且起停方式及参数可视负载调整等优点，具有较佳起停性能。 1、晶闸管电机软起动器工作原理 晶闸管在高压软启动中的应用是一种利用晶闸管进行交流调压的应用。利用晶闸管可以相控改变晶闸管导通的相位角来调节电压。 晶闸管移相式软起动器是改变正弦交流电压的波形，使之变为非正弦脉冲式交流电，通过调节其占空比，如图2所示。 注释： (1)α ：控制角。指触发脉冲的加入时间。 (2 ) ：导通角。每半个周期晶闸管导通角度。控制角越大，导通角越小，它们的和为定值α+ = 。它改变交流电的平均电压，其平均电压是可控的、平滑变化的。 图2 移相式调压 2、晶闸管的保护 晶闸管是高压软启动中最关键的功率器件，整机装置是否工作可靠与晶闸管是否可靠工作有很大的关系。而晶闸管存在着承受过电压、过电流的能力很差问题， 晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度急剧上升，可能将PN结烧坏，造成元件内部短路或开路。例如一只100A的晶闸管过电流为400A时，仅允许持续0.02s，否则将因过热而损坏; 晶闸管耐受过电压的能力极差，电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。若正向电压超过转折电压时，则晶闸管误导通，导通后的电流较大，使器件受损。 2.1 晶闸管的过压保护 在晶闸管两端并联R-C阻容吸收回路，如图3所示，利用电容吸收过压。其实质就是将造成过电压的能量变成电场能量储存到电容中,然后释放到电阻中消耗掉。 晶闸管从导通到阻断时，和开关电路一样，因线路电感(主要是变压器漏感LB)释放能量会产生过电压。由于晶闸管在导通期间，载流子充满元件内部，所以元件在关断过程中，正向电压下降到零时，内部仍残存着载流子。这些积蓄的载流子在反向电压作用下瞬时出现较大的反向电流，使积蓄载流子迅速消失，这时反向电流消失的极快，即di/dt极大。因此即使和元件串连的线路电感L很小，电感产生的感应电势L(di/dt)值仍很大，这个电势与电源电压串联，反向加在已恢复阻断的元件上，可能导致晶闸管的反向击穿。这种由于晶闸管关断引起的过电压，称为关断过电压，其数值可达工作电压峰值的5～6倍，所以必须采取抑制措施。 阻容吸收电路中电容器把过电压的电磁能量变成静电能量存贮，电阻防止电容与电感产生谐振、限制晶闸管开通损耗与电流上升率。这种吸收回路能抑制晶闸管由导通到截止时产生的过电压，有效避免晶闸管被击穿。 阻容吸收电路安装位置要尽量靠近模块主端子，即引线要短。最好采用无感电阻，以取得较好的保护效果。 图3 阻容吸收 2.2 晶闸管的动稳态均压保护 晶闸管串联使用均压问题就十分重要，而均压又分为动态均压和静态(稳态)均压。静态均压指的是电路稳定运行时候每个晶闸管承受的电压相等，而动态均压指的是在开和关的过程中，由于每个晶闸管的制造工艺的差别，即使是同一厂家的同一型号的晶闸管，都存在触发能力的不同，造成开关时间或者性能也是有差异的，这些原因造成IGBT在开关的过程中必然会出现开关速度的不一致，如果两个串联的IGBT两端的电压一定的话，那么先开通的IGBT两端电压先降下来，后开通的那个IGBT必然会承受几乎全部的电压。关断时也类似，这就是晶闸管串联运行时候的动态均压问题，WDGRQ系列软起动针对这种问题，开发了独特的动态均压保护技术，确保了串联的晶闸管导通和关闭的一致性。 2.3 晶闸管的过热保护 晶闸管在电流通过时，会产生一定的压降，而压降的存在则会产生一定的功耗，电流越大则功耗越大，产生的热量也就越大，如果不把这些热量快速散掉，会造成烧坏晶闸管芯片的问题，因此散热条件的好坏，是影响模块能否安全工作的重要因素，良好的散热条件不但能够保证模块可靠工作、防止模块过热烧毁，而且能够提高模块的电流输出能力。 所有高压软启动使用晶闸管模块时，一般采用安装散热器来实现过热保护，因此散热器的选型将直接影响高压软启动的可靠性及起动次数，WDGRQ系列软起动在设计过程中使用FloTHERM软件对散热器散热效果进行仿真优化设计，确保了散热器能可靠的实现对晶闸管的过热保护。