1.5 SCR换向技术或SCR关闭方法

SCR导通与关断方法：自然、强迫换流

在本教程中，我们将学习SCR的关断方法。SCR的关断方法有多种，包括自然换流和强迫换流。在强迫换流中，又分为多个子类别，如A类、B类、C类、D类和E类。我们将学习所有这些不同的方法来正确关断SCR，不同类别的换流方式，以及SCR的动态关断特性。

SCR关断基础

在SCR的导通方法中，我们了解到通过在门极和阴极之间施加适当的正向门极电压可以使SCR导通。

需要注意的是，与晶体管不同（在晶体管中，只要有一点基极电流（对于MOSFET是门极电压），集电极到漏极的电流就会流动），SCR在导通后不需要任何门极电压来维持导通状态。

即使在SCR导通后移除门极电压，SCR也不会停止导通。因此，门极无法控制从阳极到阴极的电流流动，且无法通过门极使SCR关断。只有当阳极电流或正向电流降低到维持电流水平以下时，SCR才能从正向导通状态恢复到正向阻断状态。

SCR的关断过程称为换流。换流意味着将电流从一个电路转移到另一个电路。你之前在哪里听说过换流和换向器？在有刷直流电机中。换向器是电刷组件的一部分，负责反转绕组中的电流方向。

因此，SCR的换流电路通过将正向电流降低到零来使SCR或晶闸管关断，执行类似的任务。然而，即使阳极电流降至零，如果立即重新施加正向电压，SCR可能会再次导通。

因此，要正确关断导通的SCR，必须满足以下条件：

• SCR的阳极或正向电流必须降低到零或低于维持电流水平，然后
• 必须在SCR两端施加足够的反向电压，以恢复其正向阻断状态。

当通过将正向电流降低到零来关断SCR时，不同层中存在多余的载流子。为了恢复SCR的正向阻断状态，这些多余的载流子必须重新复合。因此，为了加快复合过程，需要在SCR两端施加反向电压。

我们知道，SCR本质上只有两种状态：导通状态（或导通状态）和关断状态（阻断状态）。此外，SCR对负载电压和电流没有任何控制（因为它只是一个开关）。因此，控制电压和电流水平的唯一方法是通过SCR的导通和关断过程。

换流是SCR关断中一个关键的过程。

SCR关断方法

如果SCR没有正向电流流动，并且即使SCR再次正向偏置（阳极施加正电压），在没有任何门极信号（使用SCR导通方法之一）的情况下，SCR也不会导通，则认为SCR已被“关断”。

导致SCR换流的反向电压称为换流电压。根据SCR的开关类型（周期性或顺序性），换流方法分为两大类：

• 自然换流
• 强迫换流

在讨论不同类型的SCR关断方法之前，有一个重要的参数需要了解，即SCR的关断时间。

SCR的关断时间是从阳极电流变为零的时刻到SCR开始阻断正向电压的时刻之间的时间。

自然换流

在自然换流中，换流电压的来源是电源本身。如果SCR连接到交流电源，在每个正半周期结束时，阳极电流自然变为零（由于交流电源的交替特性）。随着电路中的电流自然通过零点，立即在SCR两端施加反向电压（由于负半周期）。这些条件使SCR关断。

这种类型的换流也被称为源换流、交流线路换流或F类换流。这种换流方式适用于所有这些转换器中的线路换流逆变器、可控整流器、环流转换器和交流电压调节器，因为它们的电源都是交流电源。

在交流电源的正半周期间，负载电流正常流动。但在负半周期间，SCR将关断（由于瞬时零电流和立即的负极性）。为了使自然换流有效，SCR的关断时间$t_{OFF}$必须短于电源半周期的持续时间。

强迫换流

在直流电路中，没有自然的电流零点来关断SCR。在这种电路中，必须通过外部电路（称为换流电路）强制使正向电流降为零，以实现SCR的换流。因此得名强迫换流。

这种换流电路包括电感和电容等元件，它们被称为换流元件。这些换流元件会导致在SCR两端施加反向电压，立即使SCR中的电流降为零。

根据实现SCR中零电流的过程以及换流元件的布置方式，强迫换流分为不同类型。它们是：

• A类：通过负载谐振实现自换流
• B类：通过负载谐振实现自换流
• C类：互补换流
• D类：辅助换流
• E类：脉冲换流

例如A类、B类、C类、D类和E类。这种换流主要用于斩波器和逆变器电路。

A类换流

这也被称为通过负载谐振实现的自换流，或简单地称为谐振换流。在这种换流中，换流电压的来源是负载。换流元件是L和C，电容可以与负载电阻(R_L)并联或串联连接，如下所示。

还有SCR电流、电压和电容电压的波形。

负载电阻的值和换流元件的选择方式是使它们形成一个欠阻尼的RLC谐振电路。当电路施加直流电源时，正向电流开始通过SCR流动，在此期间，电容被充电到$V_{dc}$的值。电路中的电流将是以下两种波形之一，具体取决于负载是如何连接到电容的（并联或串联）。

当导通时，SCR中的电流是电容的充电电流。从波形中可以看出，电流在点‘K’处变为零。在这一点，SCR关断。

电路的谐振频率取决于换流元件L和C以及负载电阻，它决定了关断SCR的时间。

A类换流方法简单可靠，通常用于高频操作，即频率在1000 Hz及以上的范围，因为L和C元件的值较大（因为它们承载全部负载电流）。这种换流通常用于串联逆变器。

B类换流

这也是一个自换流电路，通过谐振LC电路实现SCR的换流。但A类和B类换流的主要区别在于，LC谐振电路是跨接在SCR上，而不是像A类换流那样与负载串联。因此，换流电路以及其中的L和C元件不承载负载电流。

下面的图像显示了换流电路以及与B类换流相关的波形。

当直流电源施加到电路时，电容充电到$V_{dc}$，上极板为正，下极板为负。当SCR被触发时，电流在两个方向流动：一个是通过$V_{dc+} - \text{SCR} - R - V_{dc-}$，另一个是通过L和C元件的换流电流$I_C$。

当SCR导通时，电容开始在路径$C+ - L - \text{SCR} - C-$中放电。当电容完全放电后，它开始以相反极性充电。由于反向电压，换流电流$I_C$将在负载电流$I_L$的相反方向流动。

当换流电流$I_C$高于负载电流时，SCR将自动关断，电容以原始极性（通过电感和负载）充电。

从上述解释中，我们可以理解SCR在一段时间内导通，然后在一段时间内自动关断。这是一个不断重复的过程。ON/OFF状态的频率取决于换流电路中L和C的值。这种换流主要用于斩波器电路。

C类换流

在这种换流方法中，主SCR（需要换流的）与负载串联，另外有一个辅助或互补的SCR与主SCR并联。因此，这种方法也被称为互补换流。

在这种情况下，SCR在充电电容的反向电压下关断。下图显示了互补换流及其相应的波形。

最初，两个SCR都处于关断状态，因此电容电压也为零。当触发SCR1（主SCR，通过向其门极施加脉冲）时，电流开始在两个路径中流动：一个是负载电流$I_L$通过$V_{dc+} - R_L - \text{SCR1} - V_{dc-}$，另一个是电容的充电电流$I_C$通过$V_{dc+} - R_1 - C+ - C- - \text{SCR1} - V_{dc-}$。因此，电容开始充电到$V_{dc}$的值，极性如上图所示。

当触发SCR2（通过向其门极施加脉冲）时，它被导通。因此，电容器的负极性被施加到SCR1的阳极上，而正极性被施加到SCR1的阴极上。

这将导致主SCR（SCR1）反向偏置，因此它关断。现在，电容器通过负载充电，路径为$V_{dc+} – R_L – C+ – C– – \text{SCR2} – V_{dc–}$。电容器的极性现在被反转。

如果再次触发SCR1，电容器的放电电流将关断SCR2，过程重复。

这种换流主要用于带中心抽头变压器的单相逆变器。McMurray Bedford逆变器是这种换流电路的最佳例子。这是一种非常可靠的换流方法，即使在低于1000 Hz的频率下也非常有用。

D类换流

这也被称为辅助换流，因为它使用一个辅助SCR来切换充电的电容器。在这种情况下，主SCR由辅助SCR进行换流。主SCR与负载电阻形成主电路，而二极管D、电感L和SCR2形成换流电路。

当施加电源电压$V_{dc}$时，两个SCR都处于关断状态，因此电容器电压为零。为了给电容器充电，必须首先触发SCR2，电容器通过路径$V_{dc+} – C+ – C– – \text{SCR2} – R_L – V_{dc–}$充电。

当电容器完全充电后，电流减小，由于SCR2与电容器串联，它关断。如果触发SCR1，电流将在两个方向流动：一个是负载电流$I_L$通过$V_{dc+} – \text{SCR1} – R_L – V_{dc–}$，另一个是换流电流（由于电容器放电）通过$C+ – \text{SCR1} – L – D – C–$。

一旦电容器完全放电，其极性将被反转，但二极管的存在阻止了反向放电。当触发SCR2时，电容器开始通过$C+ – \text{SCR2} – \text{SCR1} – C–$放电。当这个放电电流大于负载电流时，SCR1关断。

再次，电容器通过SCR2开始充电到电源电压$V_{dc}$，然后SCR2关断（在电容器完全充电后）。两个SCR现在都关断，上述过程重复。

这种换流方法主要用于逆变器，也用于琼斯斩波器电路。

E类换流

这种换流也被称为外部脉冲换流。在这种情况下，使用外部脉冲源在SCR两端产生反向电压。下图显示了E类换流电路，它使用脉冲变压器产生换流脉冲。变压器设计为初级和次级之间紧密耦合，并且变压器中有一个小气隙，以防止在施加脉冲时饱和。

如果需要换流SCR，则施加一个持续时间等于或大于SCR关断时间的脉冲。

如果触发SCR，负载电流将通过脉冲变压器流动。如果在脉冲变压器的初级施加一个脉冲（电势为$V_P$），则在脉冲变压器的次级感应出一个电压。

这个感应电压以反向极性（–$V_P$）施加到SCR上，因此SCR关断。电容器对高频脉冲提供非常低或零阻抗。

动态关断开关特性

SCR从正向导通状态到正向阻断状态的转换称为SCR的关断或换流。正如我们知道的，一旦SCR开始导通，门极就无法控制它回到正向阻断或关断状态。

要关断SCR，电流必须降低到低于SCR的维持电流水平。我们已经讨论了上述各种关断SCR的方法，其中通过将正向电流降低到零来实现SCR关断。但是，如果在SCR电流为零后立即施加正向电压，即使没有门极触发，它也会再次导通。

这是由于四层中存在载流子。因此，有必要在有限时间内在SCR两端施加反向电压以去除载流子。

因此，关断时间定义为阳极电流变为零的瞬间与SCR恢复正向阻断能力的瞬间之间的时间。必须去除四层中的多余载流子，才能使SCR恢复到正向导通模式。

这个过程分为两个阶段。在第一阶段，去除外层的多余载流子；在第二阶段，内两层的多余载流子需要重新复合。因此，总关断时间$t_{OFF}$分为两个时间间隔：反向恢复时间$t_{rr}$和门极恢复时间$t_{gr}$。

$t_{OFF} = t_{rr} + t_{gr}$

下图显示了SCR在导通和关断期间的开关特性。时间$t_1$到$t_3$称为反向恢复时间。在时间$t_1$，阳极电流为零，并在反方向建立，这称为反向恢复电流。在时间$t_1$到$t_3$期间，这个电流去除了外层的多余载流子。

在时间$t_3$，结J1和J3能够阻断反向电压，但由于结J2中存在多余载流子，SCR还不能阻断正向电压。这些载流子只能通过复合的方式消失，这可以通过在SCR两端保持反向电压来实现。

因此，在时间$t_3$到$t_4$期间，电荷复合发生，在时间$t_4$，结J2完全恢复。这个时间称为门极恢复时间$t_{gr}$。

从图中可以看出，关断时间是从$t_4$到$t_1$的时间间隔。通常，这个时间在10到100微秒之间。这个关断时间$t_{OFF}$适用于单个SCR。

换流电路施加反向电压以换流SCR所需的时间称为电路换流时间（$t_C$）。为了安全裕度或可靠的换流，这个$t_C$必须大于$t_{OFF}$，否则会发生换流失败。

关断时间较慢的SCR，通常在50到100微秒之间，被称为整流器级SCR。这些用于相控整流器、环流转换器、交流电压调节器等。

关断时间较快的SCR，通常在3到50微秒之间，被称为逆变器级SCR。这些比整流器级更昂贵，用于斩波器、强迫换流转换器和逆变器。