晶閘管電感耦合式強(qiáng)迫換流電路的深入理解與仿真分析

龍 波，黃 波，郝曉紅，高 濤，韓 楊

(電子科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，四川 成都 611731)

電力電子技術(shù)大綱教學(xué)內(nèi)容中，晶閘管的換流是逆變電路部分的重要內(nèi)容，在實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用[1-5]，針對(duì)晶閘管的開關(guān)過程特性，近年來有很多研究[6-10]。筆者在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，相當(dāng)一部分學(xué)生對(duì)晶閘管電感耦合式強(qiáng)迫換流電路的理解不準(zhǔn)確，特別是在負(fù)半個(gè)振蕩周期中，當(dāng)接通開關(guān)S后，LC振蕩電路的電流將反向流過晶閘管，并且與晶閘管VT的負(fù)載電流相減，直到晶閘管的合成電流減至零后再流過旁路二極管[11]，表示難以理解，認(rèn)為不應(yīng)該等到合成電流為零時(shí)才流經(jīng)二極管。

本文針對(duì)該知識(shí)點(diǎn)，詳細(xì)闡述了晶閘管電感耦合式強(qiáng)迫換流電路的工作原理，分析存在理解上的誤區(qū)的原因，并給出仿真結(jié)果，可為電氣工程類學(xué)生對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的深入掌握提供參考。

1 晶閘管電感耦合式強(qiáng)迫環(huán)流電路

1.1 工作原理

圖1為晶閘管電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖。圖1(a)中，晶閘管在第1個(gè)半周期內(nèi)關(guān)斷，圖1(b)中，晶閘管在第2個(gè)半周期關(guān)斷，其中VD為反并聯(lián)在晶閘管VT兩端的功率二極管。R為負(fù)載，S為強(qiáng)迫換流電路部分開關(guān)，電容C和電感L組成振蕩電路，兩者串聯(lián)后并接在晶閘管兩端。

圖1 電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖

圖1中強(qiáng)迫換流電路的工作原理：當(dāng)開關(guān)S閉合后，假設(shè)電容上具有初始儲(chǔ)能，電容通過電感L進(jìn)行放電，放電電流iL和流過晶閘管VT的電流iVT進(jìn)行合成，使晶閘管的電流減小，當(dāng)晶閘管的正向電流減至零時(shí)，晶閘管關(guān)斷，電容放電電流向二極管流過。二極管的正向電壓降VVD就是加在晶閘管上的反向電壓，該方法正式利用了LC振蕩過程中的放電電流使得流經(jīng)晶閘管的電流過零點(diǎn)，從而迫使晶閘管關(guān)斷。

1.2 理解上的誤區(qū)

實(shí)際教學(xué)過程中，學(xué)生提出相對(duì)比較多的問題是為何必須合成電流為零時(shí)，其余部分電流才流經(jīng)反并聯(lián)二極管VD。學(xué)生普遍的理解是開關(guān)S閉合之前，A點(diǎn)電壓和B點(diǎn)(見圖2)電壓相等，二極管陽極電壓與儲(chǔ)能電容正極電位相等，當(dāng)開關(guān)管閉合時(shí)，二極管承受正向電壓，所以應(yīng)該會(huì)導(dǎo)通。但是，這種結(jié)論沒有考慮到當(dāng)S關(guān)斷后，對(duì)于晶閘管而言，電流還未斷流，其下降必然有一個(gè)過程，只要晶閘管的電流存在，二極管就處于反向偏置狀態(tài)，不可能導(dǎo)通；唯一二極管導(dǎo)通的條件是，當(dāng)晶閘管VT斷流時(shí)，二極管恢復(fù)正向偏置狀態(tài)，儲(chǔ)能電容iL經(jīng)二極管向L放電，形成能量交換。雖然開關(guān)管S閉合的瞬間二極管VD是處于正向偏置狀態(tài)，但是由于電感L對(duì)電流的瞬間變化有阻止作用，使得二極管流過電流非常小。教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生常常在這一點(diǎn)的認(rèn)識(shí)上存在困惑。

圖2(a)給出了二極管截止、晶閘管在開關(guān)S閉合、電流下降時(shí)電路中的電流流向。圖2(b)給出了晶閘管截止、二極管正向偏置時(shí)電路的電流流向。

圖2 二極管導(dǎo)通的過程分析

2 仿真及其分析

2.1 仿真電路搭建

為了驗(yàn)證前述的分析過程，本文以Matlab/Simulink Power system作為仿真環(huán)境[12-13]進(jìn)行仿真，仿真電路如圖3所示。電路的參數(shù)配置：振蕩器電容C為200 μF，C的初始電壓為20 V，振蕩器電感L為0.2 mH，負(fù)載電阻R為2 Ω，負(fù)載電感為2 mH，反并聯(lián)二極管等效導(dǎo)通電阻為0.001 Ω,反并聯(lián)二極管正向?qū)妷簽?.8 V。

圖3 仿真電路

本仿真的主要目標(biāo)是驗(yàn)證如下2個(gè)方面的內(nèi)容：

(1) 阻感性負(fù)載條件下，晶閘管小于移相范圍角度情況下正常導(dǎo)通過程；

(2) 晶閘管正常導(dǎo)通條件下，開關(guān)管閉合時(shí)，LC振蕩器強(qiáng)迫換流的過渡過程分析，討論教材中“當(dāng)接通開關(guān)S后，LC振蕩電路電流將反向流過晶閘管，并且與晶閘管VT的負(fù)載電流相減，直到晶閘管的合成電流減至零后，再流過旁路二極管”這句話的含義。

2.2 仿真結(jié)果及其分析

圖4中給出了晶閘管強(qiáng)迫換流仿真輸出的波形，交流電源電壓為220 V/50 Hz，觸發(fā)角脈沖時(shí)刻為0.002 5 s，觸發(fā)周期為0.02 s，觸發(fā)脈沖的占空比為5%。從圖4(c)和圖4(d)中可以看出，晶閘管的觸發(fā)時(shí)刻為0.002 5 s，振蕩電路中開關(guān)閉合時(shí)刻為0.005 s。從圖4(a)中可以看出，在觸發(fā)脈沖到來時(shí)刻之前，晶閘管承受的電壓即為電源電壓，晶閘管電流為零；在0.002 5 s時(shí)，晶閘管因?yàn)槭艿接|發(fā)而導(dǎo)通，導(dǎo)通壓降約為0.8 V，振蕩電路儲(chǔ)能電容C的初始電壓設(shè)置為20 V，在0.005 s時(shí)刻，開關(guān)閉合，晶閘管電流由于阻感性負(fù)載而未能立即關(guān)斷，于是電流開始下降，當(dāng)下降到零時(shí)刻，大約為0.005 5 s時(shí)刻，晶閘管完全關(guān)斷，其承受的電壓立即上升。對(duì)比圖4(b)圖中二極管電流開始上升的時(shí)刻，恰好就是晶閘管電流過零關(guān)斷的時(shí)刻。正好驗(yàn)證了前面的理論分析。

圖4(c)給出了振蕩器電容端電壓及電流波形，可以看出，在0.00 5 s時(shí)刻，電容C開始放電，與晶閘管電流抵消后向負(fù)載供電，一直到晶閘管電流過零點(diǎn)時(shí)，電容放電電流達(dá)到最大，此過程中電容電壓逐漸降低，在0.005 2 s時(shí)刻左右，電容從初始20 V降低到零，接著進(jìn)行反向電壓充電，反向電壓峰值達(dá)到180 V左右，又開始下降。

圖4 晶閘管強(qiáng)迫換流仿真輸出波形

3 結(jié)論

晶閘管的關(guān)斷技術(shù)中，強(qiáng)迫換流一直是電力電子技術(shù)課程教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，特別是LC振蕩器在負(fù)半個(gè)周期迫使晶閘管關(guān)斷的工作過程，給大多數(shù)學(xué)生帶來了不小的困擾。本文針對(duì)該電路的結(jié)構(gòu)和容易理解的偏差，進(jìn)行了詳細(xì)的分析和仿真驗(yàn)證，為學(xué)生掌握該知識(shí)點(diǎn)，正確理解基本概念提供指導(dǎo)。

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