第六节 晶闸管可控整流电路及其门极触发电路

一、晶闸管可控整流电路

随着科学技术的不断发展，在小水电励磁系统中，除了部分老电站还使用硅整流励磁方式和新电站部分采用微机励磁方式外，绝大多数电站都采用晶闸管可控励磁方式。因此，我们很有必要学习晶闸管可控励磁。

1.单相半控桥式整流电路

如图2-26所示，当输入电压在正半周时，l₁为正，l₂为负，VTH₁加正向电压，当控制极g₁有正脉冲输入时，VTH₁导通，VTH₂因加反向电压而截止。电流从l₁流出经VTH₁、R_L和VD₂回到l₂。当输入电压在负半周时，l₂为正，l₁为负，VTH₂加正向电压，当控制极g₂有正脉冲输入时，VTH₂导通，VTH₁加反向电压而截止。电流从l₂流出经VTH₂、R_L和VD₁回到l₁。

由此可见，虽输入的是正弦交流电，但在负荷R_L上得到的却是固定方向且大小可调的直流电。大小的调节是通过g₁、g₂触发脉冲到来的时间来决定。

2.三相半控桥式整流电路

如图2-27所示，三个硅管和三个晶闸管，分别连接成共阳极和共阴极的三相半控桥式整流电路。

现按四种不同触发角时的情况（如图2-28）加以分析讨论。

（1）当α=0时，直流输出电压波形和三相不控整流相同，每周期有6个相同的波头。

（2）三相半控桥式整流的触发移相范围0～180°触发电压有三组，分别加在相应的晶闸管上，三相触发电压必须与主回路的三相电源同步，彼此相差120°，晶闸管最大导通角为120°，当α&lt；60°时，输出电压U_d是连续波形；当α&gt；60°以后，U_d的波形不连续。只要控制好触发角的大小，就能得到所需的直流输出电压值。

（3）当α=60°时，导电晶闸管的相电压已降至与另一个最低相电压的晶闸管相等，导电晶闸管自行关断，输出波形剩下三个波头。

（4）α&gt；60°时，输出波形不连续，每个晶闸管自行关断，直至另一相晶闸管被触发才有电压输出。由上分析可知，控制角α越大，导通角θ越小，输出电压波形的面积越小，输出电压的平均值越小。当α=180°时，导通角θ=180°-α=0，就没有电压输出了。

综上所述，可知：

（1）晶闸管导通必须具备两个条件，在阳极上加正向电压和在门极上加正向触发电压脉冲。

（2）三相半控桥式整流的触发范围是180°，脉冲间隔为120°，晶闸管最大导通角是120°，只要控制好触发角的大小就能获得所需的直流电压值。

二、晶闸管触发电路

任何晶闸管的整流电路均有主回路和触发电路组成。上述电路是晶闸管的主回路电路，下面来讲解晶闸管的触发电路。

1.对晶闸管触发信号的要求

（1）触发时，触发电路要有足够大的电压和电流，通常触发电压在4～10V。

（2）为防止误触发，不触发时的触发回路电压小于0.15～0.25V。

（3）触发脉冲的前沿要陡，一般要求前沿脉冲在10μs以下。

（4）触发脉冲要有足够宽度，一般在20～50μs。

（5）触发脉冲应与主回路同步，即在触发回路的整定条件不变时，晶闸管在各个周期内导通角度不变。脉冲发出的时间应能平稳地前后移动，且移动范围要足够宽。

2.常用的几种晶闸管触发方式

由于晶闸管主回路有着多样的接线方式，因而它的触发电路也是各式各样。按关键元件分，有：阻容移相桥、单结晶闸管、小晶闸管及晶闸管触发电路。以单结晶闸管触发电路用的最多，具有线路简单、易调整和可靠性高等优点。

（1）阻容移相桥触发电路。利用电阻和电容在电压相位上相差90°的特点所组成的移相触发电路如图2-29所示。

在阻容移相桥的输出端，反向接入两只晶体二极管VD₁和VD₂，在正半周期间，VD₁截止，晶闸管VTH₁导通，VD₂也导通，削去了加在晶闸管VTH₂门极上的反向电压。在负半周期间，VD₁导通，VD₂截止，晶闸管VTH₂被触发导通。由此可见图2-29电路可以周期性的向两只晶闸管的门极轮流交替地发出控制信号。50Ω电阻是用来限制门极电流的。

（2）单结晶体管。只有一个PN的三端半导体元件称为单结晶体管，简称单晶管。同时引出两个基极，故也叫双基极二极管，其符号、结构、外形及等效电路如图2-30所示。

1）结构。图2-30（b）为单晶管的结构示意图，再一块高电阻率的N型半导体基片上引出两个不具整流特性的电极，分别为第一基极b₁和第二基极b₂。在两个基极间靠近b₂处，另用合金或扩散法渗入P型杂质，并从其上引出一个铝电极成为发射极e。e与b₁、b₂间具有单向导电性，而b₁和b₂间呈高阻特性。

2）工作原理。从外形来看，与一般晶体管相似，但其工作原理却大不相同。从图2-30（d）可知，VD为一个PN结，R_b1和R_b2表示第一和第二基极的电阻，当两个基极间施加外电压U_bb时（b₂接正、b₁接负），位于b₁和b₂之间的发射极e的电位高低取决于R_b1和R_b2的分压比，即

当发射极的电位比VSJ点的电位高出一个二极管的管压降U_d时，即U_e=nU_bb+U_d，e对b₁就导通。导通后的R_b1随着I_e的增大而急剧下降，e与b₁之间呈低阻导通状态，U_e电位迅速下降，当U_e电压小于e点电压，e与b₁之间将转入截止。

（3）单晶管的振荡电路。

1）单晶管的自激振荡触发电路。图2-31为自激振荡触发电路原理图。当合上开关S时，电源E通过电阻R对电容C充电，电容电压加在单晶管的发射极e和第一基极b₁上，起始由于电容器的电压低于e点导通电压，e与b₁不导通；当电容充电电压达到e点导通电压，e与b₁导通。导通后的R_b1随着I_e的增大而急剧下降，e与b₁之间呈低阻导通状态，电容器放电，电位迅速下降，当电容器电压小于e点导通电压，e与b₁之间将转入截止。电容器又充电，单晶管又导通，如此反复，在R_b1上就有连续的脉冲电压产生并去触发晶闸管。

2）用变压器获得同步振荡脉冲电路。如图2-32所示，由于变压器的一次绕组与主电路接在同一电源上，当主电路电压过零时，触发电路的电压也过零，因此稳压管上的梯形波电压与电源电压是同步的。在梯形波电压过零时单晶管电压U_bb也为零，此时，e与b₁之间的特性像一个二极管，电容器C通过，e和b₁很快放电，单晶管截止，当电源的下个半周到来时，电容器充电，e与b₁导通，R_b1上有脉冲输出。因此触发脉冲的周期同主电路电源周期。

3）晶闸管直接输出的触发电路。如图2-33所示，当晶闸管导通时，它两端的电压很小，单晶管的U_bb电压也很小，单晶管的触发电压也很小，当单晶管截止而承受正向电压时，此电压经稳压管削波后成为单晶管触发电路的电源，在主电路电压过零时，触发电压亦为零，因而获得同步。