1 引言

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，可控硅軟啟動(dòng)裝置應(yīng)運(yùn)而生。三相異步電動(dòng)機(jī)的起停技術(shù)發(fā)生了劃時(shí)代的變化?？煽毓柢泦?dòng)產(chǎn)品問(wèn)世不過(guò)30年左右的時(shí)間，而其主要性能卻大大優(yōu)于磁控軟啟動(dòng)、液阻軟啟動(dòng)等傳統(tǒng)軟啟動(dòng)方式。它的體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，幾乎免維護(hù)，功能齊全，起動(dòng)重復(fù)性好，保護(hù)周全，目前已成為軟啟動(dòng)領(lǐng)域中佼佼者。

2  可控硅簡(jiǎn)介

可控硅（Thyristor）是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱(chēng)，又可稱(chēng)做可控硅整流器，1957年美國(guó)通用電器公司開(kāi)發(fā)出世界上第一可控硅產(chǎn)品，并于1958年使其商業(yè)化；可控硅是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，它有三個(gè)極：陽(yáng)極，陰極和門(mén)極；可控硅工作條件為：加正向電壓且門(mén)極有觸發(fā)電流。其派生器件有：快速可控硅，雙向可控硅，逆導(dǎo)可控硅，光控可控硅等。它是一種大功率開(kāi)關(guān)型半導(dǎo)體器件，在電路中用文字符號(hào)為“V”、“VT”表示（舊標(biāo)準(zhǔn)中用字母“SCR”表示）。

可控硅具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過(guò)程可以控制、被廣泛應(yīng)用于可控整流、交流調(diào)壓、無(wú)觸點(diǎn)電子開(kāi)關(guān)、逆變及變頻等電子電路中。

3 可控硅參數(shù)說(shuō)明

為了正確地選擇和使用可控硅，對(duì)其主要參數(shù)應(yīng)有所了解才能正確地選型。可控硅的主要參數(shù)有：

（1）斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM

是指可控硅在正向阻斷時(shí)，允許加在A、K（如圖1所示，A是可控硅的陽(yáng)極，B是可控硅的陰極，G是可控硅的門(mén)極。）極間最大的峰值電壓。此電壓約為不重復(fù)峰值電壓UDSM的90%。



圖1 可控硅的符號(hào)

（2）反向重復(fù)峰值電壓URRM

在控制極斷路時(shí)，允許重復(fù)加在可控硅上的反向峰值電壓，稱(chēng)為反向阻斷峰值電壓。此電壓約為不重復(fù)峰值電壓URSM的90%。

UDRM和URRM在數(shù)值上一般相近，統(tǒng)稱(chēng)為可控硅的阻斷峰值電壓。通常把其中較小的那個(gè)數(shù)值作為該型號(hào)器件上的額定電壓值。

由于瞬時(shí)過(guò)電壓也會(huì)使可控硅損壞，因此可控硅的額定電壓應(yīng)選為正常工作峰值電壓的2～3倍，以確保安全。

（3）額定正向平均電流IF

在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)散熱條件和環(huán)境溫度（40°C）下，可控硅的陽(yáng)極和陰極間允許連續(xù)通過(guò)的工頻正弦半波電流的平均值，稱(chēng)為額定正向平均電流。

由于可控硅的過(guò)載能力小，選用可控硅的額定正向平均電流時(shí)，至少應(yīng)大于正常工作平均電流的1.5～2倍，以留有一定的余地。

（4）維持電流IH

在室溫下，控制極開(kāi)路時(shí)，維持可控硅繼續(xù)導(dǎo)通所必須的最小電流，稱(chēng)為維持電流。當(dāng)正向電流小于IH值時(shí)，可控硅就自行關(guān)斷。IH值一般為幾十至一百多毫安。

（5）控制極觸發(fā)電壓VG、觸發(fā)電流IG

在室溫下，陽(yáng)極加正向電壓為直流6V時(shí)，使可控硅由阻斷變?yōu)閷?dǎo)通所需要的最小控制極電壓和電流，稱(chēng)為控制極觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流。VG一般為3.5～5V，IG約為幾十至幾百毫安。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，加到控制極的觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流應(yīng)比額定值稍微大點(diǎn)，以保證可靠觸發(fā)。

（6）電壓上升率 dv/dt  

 可控硅阻斷時(shí) 其陰陽(yáng)極之間相當(dāng)于一個(gè)結(jié)電容 當(dāng)突加陽(yáng)極電壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生充電電容電流， 此電流可能導(dǎo)致可控硅誤導(dǎo)通， 因此 對(duì)管子的最大正向電壓上升率必須加以限制， 一般采用阻容吸收元件并聯(lián)在可控硅兩端的辦法加以限制。

（7） 電流上升率 di/dt  

 可控硅開(kāi)通時(shí) 電流是從靠近門(mén)極區(qū)的陰極開(kāi)始導(dǎo)通然后逐漸擴(kuò)展到整個(gè)陰極區(qū)直至全部導(dǎo)通,這個(gè)過(guò)程需要一定的時(shí)間， 如陽(yáng)極電流上升太快， 使電流來(lái)不及擴(kuò)展到整個(gè)管子的 PN結(jié)面， 造成門(mén)極附近的陰極因電流密度過(guò)大， 發(fā)熱過(guò)于集中 PN 結(jié)，結(jié)溫會(huì)很快超過(guò)額定結(jié)溫而燒毀 可控硅，故必須限定可控硅的電流上升臨界值 di/dt ，一般在橋臂中串入電感或鐵淦氧磁環(huán) 。

4 可控硅工作條件

由于可控硅只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài),所以它具有開(kāi)關(guān)特性,這種特性需要一定的條件才能轉(zhuǎn)化,此條件如表1所示。

表1  可控硅工作條件

狀態(tài)	條件	說(shuō)明
從關(guān)斷到導(dǎo)通	（1）陽(yáng)極電位高于陰極電位 （2）門(mén)極有足夠的正向電壓和電流	兩者缺一不可
維持導(dǎo)通	（1）陽(yáng)極電位高于陰極電位 （2）陽(yáng)極電流大于維持電流	兩者缺一不可
從導(dǎo)通到關(guān)斷	（1）陽(yáng)極電位低于陰極電位 （2）陽(yáng)極電流小于維持電流	任一條件即可

5 可控硅在高壓軟啟動(dòng)中的應(yīng)用

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，高壓電動(dòng)機(jī)的數(shù)量不斷增加。由于大電機(jī)直接起動(dòng)時(shí)的電流為額定電流的5～7倍，而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩只有額定轉(zhuǎn)矩的0.4～1.6倍。它在電網(wǎng)條件（電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電網(wǎng)壓降小于10%）和工藝條件（啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩滿足）允許的情況下，可以直接啟動(dòng)。但過(guò)大的啟動(dòng)電流、過(guò)小的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和過(guò)長(zhǎng)的啟動(dòng)時(shí)間給電機(jī)和電網(wǎng)造成了極大的危害。常導(dǎo)致電網(wǎng)電壓、諧波電壓波動(dòng)的增大，以至前級(jí)跳閘，大大地增加了電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)及電網(wǎng)污染，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。同時(shí)，也對(duì)自身造成了很大傷害。因此，必須在電源和電機(jī)之間串入軟啟動(dòng)器來(lái)解決這些問(wèn)題。

可控硅電機(jī)軟啟動(dòng)器的出現(xiàn)，很好的解決了以上問(wèn)題，它彌補(bǔ)了傳統(tǒng)軟啟動(dòng)器的各種不足，很好地降低了電機(jī)的起動(dòng)電流，降低了配電容量，延長(zhǎng)了電機(jī)及相關(guān)設(shè)備的使用壽命。起動(dòng)參數(shù)可視負(fù)載調(diào)整，易于維護(hù)。

5.1    可控硅電機(jī)軟啟動(dòng)器工作原理  

可控硅在高壓電機(jī)軟啟動(dòng)器中的應(yīng)用是一種利用可控硅進(jìn)行交流調(diào)壓的應(yīng)用。利用可控硅可以相控改變可控硅導(dǎo)通的相位角來(lái)調(diào)節(jié)電壓。

可控硅移相式軟啟動(dòng)器是改變正弦交流電壓的波形，使之變?yōu)榉钦颐}沖式交流電，通過(guò)調(diào)節(jié)其占空比，如圖2所示。

注釋?zhuān)?br />
（1）α ：控制角。指觸發(fā)脈沖的加入時(shí)間。

(2 ) q ：導(dǎo)通角。每半個(gè)周期可控硅導(dǎo)通角度?？刂平窃酱?，導(dǎo)通角越小，它們的和為定值α+q = p 。它改變交流電的平均電壓，其平均電壓是可控的、平滑變化的。



圖2  移相式調(diào)壓

5.2 可控硅的選型  

可控硅是電機(jī)軟啟動(dòng)器中最關(guān)鍵的功率器件，整機(jī)裝置是否工作可靠與正確選擇可控硅額定電流、額定電壓等參數(shù)有很大的關(guān)系。選型的原則應(yīng)該首先考慮工作可靠性，即電流、電壓必須有足夠的余量倍數(shù)。其次應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性即性?xún)r(jià)比，最后應(yīng)考慮安裝美觀、體積盡量減小等。

對(duì)于6kV、10kV的高壓電機(jī)，由于電壓高，所以需要將可控硅反并聯(lián)后再串聯(lián)起來(lái)。6kV每相需要6只可控硅（2只反并聯(lián)后，3組串聯(lián)），10kV每相需要10只可控硅（2只反并聯(lián)后，5組串聯(lián)）。這樣對(duì)于每只可控硅來(lái)說(shuō)所承受的電壓約為2000V，所以所選擇的可控硅的正反向不重復(fù)額定電壓 VDSM 、VRSM 應(yīng)為6500V以上。

對(duì)可控硅額定電流的選擇 ，必須考慮電機(jī)的額定工作電流。 一般來(lái)說(shuō)，可控硅的電流應(yīng)是電機(jī)額定電流的3~4倍。

在可控硅高壓電機(jī)軟啟動(dòng)裝置中，采用2個(gè)獨(dú)立可控硅器件反并聯(lián)組成的交流相控調(diào)壓，正負(fù)半周各對(duì)應(yīng)1個(gè)可控硅工作，因此對(duì)2個(gè)反并聯(lián)器件參數(shù)的一致性要求較高。包括可控硅觸發(fā)參數(shù)，維持電流參數(shù)等也都盡量要求挑選一致。盡量讓正負(fù)半波對(duì)稱(chēng) ，否則會(huì)有直流成分電流流過(guò)電機(jī) 。由于電機(jī)為繞組 負(fù)載為電感性的 ，因此過(guò)高的直流份量會(huì)使得電機(jī)定子發(fā)熱嚴(yán)重，甚至?xí)龤щ姍C(jī)繞組，從而使電機(jī)報(bào)廢。

6 可控硅保護(hù)
      可控硅承受過(guò)電壓、過(guò)電流的能力很差，這是它的主要缺點(diǎn)。 可控硅的熱容量很小，一旦發(fā)生過(guò)電流時(shí)，溫度急劇上升，可能將PN結(jié)燒壞，造成元件內(nèi)部短路或開(kāi)路。例如一只100A的可控硅過(guò)電流為400A時(shí)，僅允許持續(xù)0.02s，否則將因過(guò)熱而損壞； 可控硅耐受過(guò)電壓的能力極差，電壓超過(guò)其反向擊穿電壓時(shí)，即使時(shí)間極短，也容易損壞。若正向電壓超過(guò)轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，則可控硅誤導(dǎo)通，導(dǎo)通后的電流較大，使器件受損。

6.1  可控硅的過(guò)壓保護(hù)

在可控硅兩端并聯(lián)R-C阻容吸收回路，如圖3所示，利用電容吸收過(guò)壓。其實(shí)質(zhì)就是將造成過(guò)電壓的能量變成電場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存到電容中,然后釋放到電阻中消耗掉。

可控硅從導(dǎo)通到阻斷時(shí)，和開(kāi)關(guān)電路一樣，因線路電感（主要是變壓器漏感LB）釋放能量會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓。由于可控硅在導(dǎo)通期間，載流子充滿元件內(nèi)部，所以元件在關(guān)斷過(guò)程中，正向電壓下降到零時(shí)，內(nèi)部仍殘存著載流子。這些積蓄的載流子在反向電壓作用下瞬時(shí)出現(xiàn)較大的反向電流，使積蓄載流子迅速消失，這時(shí)反向電流消失的極快，即di/dt極大。因此即使和元件串連的線路電感L很小，電感產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)L（di/dt）值仍很大，這個(gè)電勢(shì)與電源電壓串聯(lián)，反向加在已恢復(fù)阻斷的元件上，可能導(dǎo)致可控硅的反向擊穿。這種由于可控硅關(guān)斷引起的過(guò)電壓，稱(chēng)為關(guān)斷過(guò)電壓，其數(shù)值可達(dá)工作電壓峰值的5～6倍，所以必須采取抑制措施。

阻容吸收電路中電容器把過(guò)電壓的電磁能量變成靜電能量存貯，電阻防止電容與電感產(chǎn)生諧振、限制可控硅開(kāi)通損耗與電流上升率。這種吸收回路能抑制可控硅由導(dǎo)通到截止時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓，有效避免可控硅被擊穿。

阻容吸收電路安裝位置要盡量靠近模塊主端子，即引線要短。最好采用無(wú)感電阻，以取得較好的保護(hù)效果。



圖3  阻容吸收

6.2   可控硅的過(guò)流保護(hù)

由于半導(dǎo)體器件體積小、熱容量小，特別像可控硅這類(lèi)高電壓大電流的功率器件，結(jié)溫必須受到嚴(yán)格的控制，否則將遭至徹底損壞。當(dāng)可控硅中流過(guò)大于額定值的電流時(shí)，熱量來(lái)不及散發(fā)，使得結(jié)溫迅速升高，最終將導(dǎo)致結(jié)層被燒壞。

產(chǎn)生過(guò)電流的原因是多種多樣的，例如，變流裝置本身可控硅損壞，觸發(fā)電路發(fā)生故障，控制系統(tǒng)發(fā)生故障等，以及交流電源電壓過(guò)高、過(guò)低或缺相，負(fù)載過(guò)載或短路，相鄰設(shè)備故障影響等。

可控硅過(guò)電流保護(hù)方法最常用的是快速熔斷器。由于普通熔斷器的熔斷特性動(dòng)作太慢，在熔斷器尚未熔斷之前可控硅已被燒壞；所以不能用來(lái)保護(hù)可控硅?？焖偃蹟嗥饔摄y制熔絲埋于石英沙內(nèi)，熔斷時(shí)間極短，可以用來(lái)保護(hù)可控硅。 

與普通熔斷器比較，快速熔斷器是專(zhuān)門(mén)用來(lái)保護(hù)半導(dǎo)體功率器件過(guò)電流的。它具有快速熔斷的特性，在流過(guò) 6 倍額定電流時(shí)其熔斷時(shí)間小于 50Hz 交流電的一個(gè)周期( 20 ms )。一般說(shuō)來(lái)快速熔斷器額定電流有效值應(yīng)小于被保護(hù)可控硅的額定有效值，同時(shí)要大于流過(guò)可控硅的實(shí)際有效值。

6.3  可控硅的過(guò)熱保護(hù)

可控硅在電流通過(guò)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的壓降，而壓降的存在則會(huì)產(chǎn)生一定的功耗，電流越大則功耗越大，產(chǎn)生的熱量也就越大。如果不把這些熱量快速散掉，會(huì)造成燒壞可控硅芯片的問(wèn)題。因此要求使用可控硅模塊時(shí)，一定要安裝散熱器。

散熱條件的好壞，是影響模塊能否安全工作的重要因素。良好的散熱條件不但能夠保證模塊可靠工作、防止模塊過(guò)熱燒毀，而且能夠提高模塊的電流輸出能力。

7 結(jié)束語(yǔ)

可控硅在高壓軟啟動(dòng)中的應(yīng)用，為軟啟動(dòng)帶來(lái)了革命性的變化，它將在軟啟動(dòng)的發(fā)展史上留下濃重的一筆。