如何緩沖晶閘管?
對電感性負載(例如電動機,螺線管等)來說,電流與電壓并不同相、這就對功率雙向可控硅開關構成一個問題。
要記住的一個重要事實是,由于雙向可控硅開關兩個方向都能導電,因此正弦電流經過零值的時間是很短暫的。對于感性負載,電流和電壓之間的相位差意味著當功率控制雙向可控硅開關的功率降低到低于維持電流而使雙向可控硅開關截止時,在雙向可控硅開關兩端仍可能存在—定的電壓。
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如果這—電壓出現得太迅速,可使雙向可控硅開關恢復導通從而發生失控。為了用感性負載進行控制,必須用一個與功率雙向可控硅開關并聯的RC網絡來限制電壓上升率(dv/dt),如圖1所示。電容Cs將來限制跨越雙向可控硅開關的dv/dt值。
當雙向可控硅開關導通時,電阻Rs可限制來自Cs的沖激電流,并對電容Cs和電感Ll之間的阻尼振蕩起衰減作用。這種RC網絡通常被稱為“緩沖器”。
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圖2a、2b顯示了功率雙向可控硅開關的電流與電壓波形。
一個電阻性負載的整流dv/dt值,在240V、50Hz電源情況下為0.13V/us,在120V、60Hz電源的情況下為0.063V/us。
對電感性負載來說,關斷時間和整流dv/dt值是很難確定的,并且受諸如電動機的反電動勢和電感與電阻的比率(功率因數)等許多因素的影響。
盡管可從電感性負載上看出,其上升速率是非常快的,但對電路進行仔細的研究后發現所產生的dv/dt值通常被限制在某個有限值,該值為負載阻抗Ll和器件電容C的一個函數。但仍然有可能超過雙向可控硅開關元件的臨界dv/dt值(大約為50v/us)。在雙向可控硅開關兩端加上一個RC減振器來把上升速率(dv/dt)限制在最大允許額定值是一種有益的作法。這個緩沖網絡不僅限制了在轉換過程中的電壓上升,而且也抑制了由于交流電壓波動而產生的瞬態電壓。 沒有一個簡單的方法可以用來選取緩沖網絡的Rs與Cs的值。圖1所示的電路是一個由Rs、Cs、Rl、Ll和一個很小的雙向可控硅的結電容組成的阻尼調諧電路。
當雙向可控硅開關停止導通時(這種現象發生在當電流低于維持電流時的電源電壓的每半個周期)。雙向可控硅開關就受到一個與負載的功率因子有關的步進脈沖的作用。給定負載后就確定了Rs和Cs的值。然后電路的設計者可以選用不同的Rs與Cs。通過增大Cs可以降低整流dv/dt的值。而為了減小調諧電路的共振,可增大Rs的值。
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圖3給出了一個用于分析的等效電路,在這兒雙向可控硅開關己由一個理想開關所替代。當雙向可控硅開關元件處于用一個打開的開關表示的阻斷即非導通狀態時,該電路就是由一個交流電壓源所驅動的標準RLC串聯網絡,通過把回路電壓加起來可得到下述微分方程:
其中i(t)為開關打開以后的瞬時電流,qc(t)為電容上的瞬時電荷,Vm為峰值電源電壓,ψ為開關打開前電壓超前電流的相位角。通過微分和化簡,這個方程將變成一個標準的帶常系數的二階微分方程。
代人邊界條件i(o)=0,q(o)=0,和所選取的RL,L,Rs,Cs值后,該方程可由計箕機求解。在確定了晶閘管兩端的峰值電壓的大小和發生時間之后,就可計算在電壓值為峰值的l0%和60%時的值和時間。為計算出由dv/dt=(V2-V1)/(t2-t1)定義的dv/dt的值,就必須這樣做。這里V1與t1為電壓值為峰值的l0%時的電壓值及其發生的時間。V2和t2為電壓值為峰值的60%時的電壓值及其發生時間。
在假定的負載條件下該微分方程的解將給電路設計人員提供一個選擇Rs和Cs的出發點。
由于緩沖器的設計與負載有關,所以幾乎不可能估計和測試實際工作條件下的每一種可能的組合。建議用一個示波器測試峰值的振幅和雙向可控硅兩端電壓的上升速率。然后用實驗確定Rs和Cs的值。