中心議題：

• 晶閘管在高壓軟起動中的選型及應用

解決方案：

• 晶閘管的過壓保護
• 使用晶閘管過電流保護方法

1 引言

隨sui著zhe電dian力li電dian子zi技ji術shu的de飛fei速su發fa展zhan，晶jing閘zha管guan軟ruan起qi動dong裝zhuang置zhi應ying運yun而er生sheng。三san相xiang異yi步bu電dian動dong機ji的de起qi停ting技ji術shu發fa生sheng了le劃hua時shi代dai的de變bian化hua。晶jing閘zha管guan軟ruan起qi動dong產chan品pin問wen世shi不bu過guo30年左右的時間，而其主要性能卻大大優於磁控軟起動
、液ye阻zu軟ruan起qi動dong等deng傳chuan統tong軟ruan起qi動dong方fang式shi。它ta的de體ti積ji小xiao，結jie構gou緊jin湊cou，幾ji乎hu免mian維wei護hu，功gong能neng齊qi全quan
，起qi動dong重zhong複fu性xing好hao，保bao護hu周zhou全quan
，目mu前qian已yi成cheng為wei軟ruan起qi動dong領ling域yu中zhong的de佼jiao佼jiao者zhe。

2 晶閘管簡介

晶閘管（thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又可稱做可控矽整流器，以前被簡稱為可控矽
；1957年美國通用電器公司開發出世界上第一個晶閘管產品
，並於1958年使其商業化；晶閘管是pnpn四層半導體結構

，它有三個極：陽極
，陰極和門極；晶閘管工作條件為：加正向電壓且門極有觸發電流。其派生器件有：快速晶閘管，雙向晶閘管，逆導晶閘管，光控晶閘管等。它是一種大功率開關型半導體器件
，在電路中用文字符號為“v”
、“vt”表示（舊標準中用字母“scr”表示）。

晶閘管具有矽整流器件的特性
，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過程可以控製

、被廣泛應用於可控整流、交流調壓、無觸點電子開關、逆變及變頻等電子電路中。

3 晶閘管參數說明

為了正確地選擇和使用晶閘管，對其主要參數應有所了解才能正確地選型。晶閘管的主要參數有：

（1）斷態重複峰值電壓udrm

是指晶閘管在正向阻斷時，允許加在a、k，如圖1所示

，a是晶閘管的陽極，k是晶閘管的陰極，g是晶閘管的門極。極間最大的峰值電壓。此電壓約為不重複峰值電壓udsm的90%。
（2）反向重複峰值電壓urrm

在控製極斷路時
，允許重複加在晶閘管上的反向峰值電壓，稱為反向阻斷峰值電壓。此電壓約為不重複峰值電壓ursm的90%。

udrm和urrm在數值上一般相近
，統稱為晶閘管的阻斷峰值電壓。通常把其中較小的那個數值作為該型號器件上的額定電壓值。

由於瞬時過電壓也會使晶閘管損壞，因此晶閘管的額定電壓應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

在規定的標準散熱條件和環境溫度（40℃）下，晶閘管的陽極和陰極間允許連續通過的工頻正弦半波電流的平均值
，稱為額定正向平均電流。

由於晶閘管的過載能力小
，選用晶閘管的額定正向平均電流時，至少應大於正常工作平均電流的1.5～2倍，以留有一定的餘地。

（4）維持電流ih

在室溫下，控製極開路時
，維持晶閘管繼續導通所必須的最小電流，稱為維持電流。當正向電流小於ih值時，晶閘管就自行關斷。ih值一般為幾十至一百多毫安。

（5）控製極觸發電壓vg、觸發電流ig

在室溫下，陽極加正向電壓為直流6v時，使晶閘管由阻斷變為導通所需要的最小控製極電壓和電流
，稱為控製極觸發電壓和觸發電流。vg一般為3.5～5v，ig約為幾十至幾百毫安。實際應用時，加到控製極的觸發電壓和觸發電流應比額定值稍微大點
，以保證可靠觸發。

（6）電壓上升率dv/dt

晶(jing)閘(zha)管(guan)阻(zu)斷(duan)時(shi)其(qi)陰(yin)陽(yang)極(ji)之(zhi)間(jian)相(xiang)當(dang)於(yu)一(yi)個(ge)結(jie)電(dian)容(rong)當(dang)突(tu)加(jia)陽(yang)極(ji)電(dian)壓(ya)時(shi)會(hui)產(chan)生(sheng)充(chong)電(dian)電(dian)容(rong)電(dian)流(liu)，此(ci)電(dian)流(liu)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)晶(jing)閘(zha)管(guan)誤(wu)導(dao)通(tong)
，因(yin)此(ci)對(dui)管(guan)子(zi)的(de)最(zui)大(da)正(zheng)向(xiang)電(dian)壓(ya)上(shang)升(sheng)率(lv)必(bi)須(xu)加(jia)以(yi)限(xian)製(zhi)，一(yi)般(ban)采(cai)用(yong)阻(zu)容(rong)吸(xi)收(shou)元(yuan)件(jian)並(bing)聯(lian)在(zai)晶(jing)閘(zha)管(guan)兩(liang)端(duan)的(de)辦(ban)法(fa)加(jia)以(yi)限(xian)製(zhi)。

（7）電流上升率di/dt

晶(jing)閘(zha)管(guan)開(kai)通(tong)時(shi)電(dian)流(liu)是(shi)從(cong)靠(kao)近(jin)門(men)極(ji)區(qu)的(de)陰(yin)極(ji)開(kai)始(shi)導(dao)通(tong)然(ran)後(hou)逐(zhu)漸(jian)擴(kuo)展(zhan)到(dao)整(zheng)個(ge)陰(yin)極(ji)區(qu)直(zhi)至(zhi)全(quan)部(bu)導(dao)通(tong)，這(zhe)個(ge)過(guo)程(cheng)需(xu)要(yao)一(yi)定(ding)的(de)時(shi)間(jian)

，如(ru)陽(yang)極(ji)電(dian)流(liu)上(shang)升(sheng)太(tai)快(kuai)，使(shi)電(dian)流(liu)來(lai)不(bu)及(ji)擴(kuo)展(zhan)到(dao)整(zheng)個(ge)管(guan)子(zi)的(de)pn結麵

，造成門極附近的陰極因電流密度過大，發熱過於集中pn結，結溫會很快超過額定結溫而燒毀晶閘管
，故必須限定晶閘管的電流上升臨界值di/dt，一般在橋臂中串入電感或鐵淦氧磁環。
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4 晶閘管工作條件

由於晶閘管隻有導通和關斷兩種工作狀態
，所以它具有開關特性，這種特性需要一定的條件才能轉化，此條件如附表所示。
5 晶閘管在高壓軟起動中的應用

隨著國民經濟的高速發展
，高壓電動機的數量不斷增加。由於大電機直接起動時的電流為額定電流的5～7倍
，而啟動轉矩隻有額定轉矩的0.4～1.6倍。它在電網條件（電機啟動時的電網壓降小於10%）和工藝條件（啟動轉矩滿足）允許的情況下，可以直接啟動。但過大的啟動電流
、過小的啟動轉矩和過長的啟動時間給電機和電網造成了極大的危害。常導致電網電壓
、諧xie波bo電dian壓ya波bo動dong的de增zeng大da，以yi至zhi前qian級ji跳tiao閘zha，大da大da地di增zeng加jia了le電dian網wang的de負fu擔dan及ji電dian網wang汙wu染ran
，嚴yan重zhong影ying響xiang電dian網wang的de安an全quan運yun行xing。同tong時shi，也ye對dui自zi身shen造zao成cheng了le很hen大da傷shang害hai。因yin此ci
，必bi須xu在zai電dian源yuan和he電dian機ji之zhi間jian串chuan入ru軟ruan起qi動dong器qi來lai解jie決jue這zhe些xie問wen題ti。

jingzhaguandianjiruanqidongqidechuxian
，henhaodejiejueleyishangwenti
，tamibulechuantongruanqidongqidegezhongbuzu
，henhaodijiangdiledianjideqidongdianliu，jiangdilepeidianrongliang
，yanchangledianjijixiangguanshebeideshiyongshouming。qidongcanshukeshifuzaitiaozheng，yiyuweihu。

5.1晶閘管電機軟起動器工作原理

jingzhaguanzaigaoyadianjiruanqidongqizhongdeyingyongshiyizhongliyongjingzhaguanjinxingjiaoliutiaoyadeyingyong。liyongjingzhaguankeyixiangkonggaibianjingzhaguandaotongdexiangweijiaolaitiaojiedianya。

晶閘管移相式軟起動器是改變正弦交流電壓的波形，使之變為非正弦脈衝式交流電，通過調節其占空比，如圖2所示。

注釋：

（1）α：控製角。指觸發脈衝的加入時間。

（2）q：導通角。每半個周期晶閘管導通角度。控製角越大
，導通角越小，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。

5.2 晶閘管的選型

晶閘管是電機軟起動器中最關鍵的功率器件，整機裝置是否工作可靠與正確選擇晶閘管額定電流、額定電壓等參數有很大的關係。選型的原則應該首先考慮工作可靠性，即電流、電壓必須有足夠的餘量倍數。其次應考慮經濟性即性價比，最後應考慮安裝美觀、體積盡量減小等。

對於6kv、10kv的高壓電機，由於電壓高，所以需要將晶閘管反並聯後再串聯起來。6kv每相需要6隻晶閘管（2隻反並聯後，3組串聯），10kv每相需要10隻晶閘管（2隻反並聯後，5組串聯）。這樣對於每隻晶閘管來說所承受的電壓約為2000v，所以所選擇的晶閘管的正反向不重複額定電壓vdsm、vrsm應為6500v以上。

對晶閘管額定電流的選擇

，必須考慮電機的額定工作電流。一般來說，晶閘管的電流應是電機額定電流的3~4倍。

在晶閘管高壓電機軟起動裝置中
，采用2個獨立晶閘管器件反並聯組成的交流相控調壓
，正負半周各對應1個晶閘管工作，因此對2個(ge)反(fan)並(bing)聯(lian)器(qi)件(jian)參(can)數(shu)的(de)一(yi)致(zhi)性(xing)要(yao)求(qiu)較(jiao)高(gao)。包(bao)括(kuo)晶(jing)閘(zha)管(guan)觸(chu)發(fa)參(can)數(shu)，維(wei)持(chi)電(dian)流(liu)參(can)數(shu)等(deng)也(ye)都(dou)盡(jin)量(liang)要(yao)求(qiu)挑(tiao)選(xuan)一(yi)致(zhi)。盡(jin)量(liang)讓(rang)正(zheng)負(fu)半(ban)波(bo)對(dui)稱(cheng)
，否(fou)則(ze)會(hui)有(you)直(zhi)流(liu)成(cheng)分(fen)電(dian)流(liu)流(liu)過(guo)電(dian)機(ji)。由(you)於(yu)電(dian)機(ji)為(wei)繞(rao)組(zu)負(fu)載(zai)為(wei)電(dian)感(gan)性(xing)的(de)，因(yin)此(ci)過(guo)高(gao)的(de)直(zhi)流(liu)份(fen)量(liang)會(hui)使(shi)得(de)電(dian)機(ji)定(ding)子(zi)發(fa)熱(re)嚴(yan)重(zhong)
，甚(shen)至(zhi)會(hui)燒(shao)毀(hui)電(dian)機(ji)繞(rao)組(zu)
，從(cong)而(er)使(shi)電(dian)機(ji)報(bao)廢(fei)。
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6 晶閘管保護

晶閘管承受過電壓、過電流的能力很差，這是它的主要缺點。晶閘管的熱容量很小，一旦發生過電流時
，溫度急劇上升，可能將pn結燒壞
，造成元件內部短路或開路。例如一隻100a的晶閘管過電流為400a時，僅允許持續0.02s
，否則將因過熱而損壞；晶jing閘zha管guan耐nai受shou過guo電dian壓ya的de能neng力li極ji差cha，電dian壓ya超chao過guo其qi反fan向xiang擊ji穿chuan電dian壓ya時shi，即ji使shi時shi間jian極ji短duan，也ye容rong易yi損sun壞huai。若ruo正zheng向xiang電dian壓ya超chao過guo轉zhuan折zhe電dian壓ya時shi，則ze晶jing閘zha管guan誤wu導dao通tong
，導dao通tong後hou的de電dian流liu較jiao大da，使shi器qi件jian受shou損sun。

6.1 晶閘管的過壓保護

在晶閘管兩端並聯r-c阻容吸收回路，如圖3所示，利用電容吸收過壓。其實質就是將造成過電壓的能量變成電場能量儲存到電容中，然後釋放到電阻中消耗掉。 晶閘管從導通到阻斷時，和開關電路一樣，因線路電感（主要是變壓器漏感lb）shifangnenglianghuichanshengguodianya。youyujingzhaguanzaidaotongqijian，zailiuzichongmanyuanjianneibu
，suoyiyuanjianzaiguanduanguochengzhong，zhengxiangdianyaxiajiangdaolingshi
，neiburengcancunzhezailiuzi。zhexiejixudezailiuzizaifanxiangdianyazuoyongxiashunshichuxianjiaodadefanxiangdianliu，shijixuzailiuzixunsuxiaoshi，zheshifanxiangdianliuxiaoshidejikuai
，jidi/dt極大。因此即使和元件串連的線路電感l很小，電感產生的感應電勢l（di/dt）zhirenghenda，zhegedianshiyudianyuandianyachuanlian，fanxiangjiazaiyihuifuzuduandeyuanjianshang
，kenengdaozhijingzhaguandefanxiangjichuan。zhezhongyouyujingzhaguanguanduanyinqideguodianya
，chengweiguanduanguodianya，qishuzhikedagongzuodianyafengzhide5～6倍，所以必須采取抑製措施。

阻容吸收電路中電容器把過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生諧振、限製晶閘管開通損耗與電流上升率。這種吸收回路能抑製晶閘管由導通到截止時產生的過電壓
，有效避免晶閘管被擊穿。

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。最好采用無感電阻，以取得較好的保護效果。

6.2 晶閘管的過流保護

由於半導體器件體積小、熱re容rong量liang小xiao，特te別bie像xiang晶jing閘zha管guan這zhe類lei高gao電dian壓ya大da電dian流liu的de功gong率lv器qi件jian，結jie溫wen必bi須xu受shou到dao嚴yan格ge的de控kong製zhi，否fou則ze將jiang遭zao至zhi徹che底di損sun壞huai。當dang晶jing閘zha管guan中zhong流liu過guo大da於yu額e定ding值zhi的de電dian流liu時shi，熱re量liang來lai不bu及ji散san發fa，使shi得de結jie溫wen迅xun速su升sheng高gao
，最zui終zhong將jiang導dao致zhi結jie層ceng被bei燒shao壞huai。

產生過電流的原因是多種多樣的
，例如，變流裝置本身晶閘管損壞，觸發電路發生故障
，控製係統發生故障等，以及交流電源電壓過高
、過低或缺相
，負載過載或短路，相鄰設備故障影響等。

晶閘管過電流保護方法最常用的是快速熔斷器。由於普通熔斷器的熔斷特性動作太慢，在熔斷器尚未熔斷之前晶閘管已被燒壞；所以不能用來保護晶閘管。快速熔斷器由銀製熔絲埋於石英沙內

，熔斷時間極短，可以用來保護晶閘管。

與普通熔斷器比較，快速熔斷器是專門用來保護半導體功率器件過電流的。它具有快速熔斷的特性

，在流過6倍額定電流時其熔斷時間小於50hz交流電的一個周期（20ms）。一般說來快速熔斷器額定電流有效值應小於被保護晶閘管的額定有效值，同時要大於流過晶閘管的實際有效值。

6.3 晶閘管的過熱保護

jingzhaguanzaidianliutongguoshi，huichanshengyidingdeyajiang
，eryajiangdecunzaizehuichanshengyidingdegonghao
，dianliuyuedazegonghaoyueda
，chanshengdereliangyejiuyueda。ruguobubazhexiereliangkuaisusandiao，huizaochengshaohuaijingzhaguanxinpiandewenti。yinciyaoqiushiyongjingzhaguanmokuaishi，yidingyaoanzhuangsanreqi。

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、防止模塊過熱燒毀，而且能夠提高模塊的電流輸出能力。

7 結束語

晶閘管在高壓軟起動中的應用

，為軟起動帶來了革命性的變化，它將在軟起動的發展史上留下濃重的一筆。