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功率器件在靜止變頻技術(shù)中的應(yīng)用

發(fā)布時間:2009-09-17

中心議題:
  • 晶閘管的使用與保護
  • IGBT的使用與保護
解決方案:
  • 采用兩個或更多晶閘管的串、并聯(lián)工作方式
  • 三相整流電路中,在電源端增設(shè)△形RC濾波器
  • 利用溫度傳感器檢測IGBT的外殼溫度實現(xiàn)過熱保護
  • 通過檢出的過電流信號切斷柵極信號實現(xiàn)過電流保護
我國20世紀(jì)80年代以前的靜止變頻技術(shù)由于受到電力電子器件技術(shù)的影響,一直處于停滯不前的狀態(tài),各個行業(yè)感應(yīng)加熱用中頻電源基本上使用中頻變頻電機供電。隨著20世紀(jì)90年代初電力電子器件的發(fā)展,目前國內(nèi)中頻電機組正呈被淘汰的格局,靜止變頻設(shè)備開始大量使用,特別是在音頻、超音頻領(lǐng)域,表現(xiàn)更為明顯。80年代、90年代,國內(nèi)靜止變頻基本上采用晶閘管作為功率開關(guān)元件,工藝水平基本上以8KC為上限。到2000年,國內(nèi)開始出現(xiàn)采用IGBT作為功率開關(guān)器件的變頻技術(shù),工作頻率可達20KC,功率可達300KW。目前國內(nèi)已出現(xiàn)50KC、100KW的全固態(tài)電源,可以說靜止變頻技術(shù)目前國內(nèi)處于高速發(fā)展的階段。

晶閘管的使用與保護

晶閘管是晶體閘流管的簡稱,它是具有PNPN四層結(jié)構(gòu)的各種開關(guān)器件的總稱。按照國際電工委員會(IEC)的定義,晶閘管指那些具有3個以上的PN結(jié),主電壓——電流特征至少在一個象限內(nèi)具有導(dǎo)通、阻斷兩個穩(wěn)定狀態(tài),且可在這兩個穩(wěn)定狀態(tài)之間進行轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體器件。我們通常說的晶閘管是其中之一,統(tǒng)稱可控硅(SiliconControlledRectifier),主要有普通晶閘管(KP)、快速晶閘管(KK)、高頻晶閘管(KG)、雙向可控硅、門極可關(guān)斷晶閘管(GTO——GateTurnOffThyristor)和光控晶閘管(LTT——LightTriggeredThristor)等。

晶閘管的應(yīng)用

由于技術(shù)上的原因,單個晶閘管的電壓、電流容量是有限的,往往不能滿足大功率的要求,為了解決這個問題,須采用兩個或更多晶閘管的串、并聯(lián)工作方式。由于工藝條件的限制,晶閘管本身的特性參數(shù)存在差異,在晶閘管串、并聯(lián)工作時,必須采取嚴(yán)格的措施,使電流電壓差異限制在允許的范圍之內(nèi),以保證各個晶閘管可靠工作。

晶閘管的串聯(lián)

通常使用兩只晶閘管串聯(lián)工作以解決單只晶閘管耐壓不足的問題。這就需要解決晶閘管的工作電壓平均分配問題,包括靜態(tài)均壓與動態(tài)均壓。靜態(tài)均壓可采用無感電阻串聯(lián)分壓的方式解決;動態(tài)均壓比較復(fù)雜,這是因為:元件參數(shù)dv/dt的差異以及反向恢復(fù)時間的差異導(dǎo)致開通與關(guān)斷過程中元件承受的電壓分配不均,極端情況可使支路電壓全部加在一只晶閘管上。

這一問題可采用并聯(lián)電容以限制dv/dt,但是,實際上元件開通過程中電容通過元件放電影響di/dt,通常又在電容上串聯(lián)電阻,形成RC阻容吸收均壓電路。為限制支路上的浪涌電流,通常在支路上串聯(lián)飽和電感或磁環(huán),這樣就構(gòu)成了如圖所示的電路結(jié)構(gòu)。

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晶閘管的并聯(lián)


由于單個元件耐壓水平的提高,每個元件并聯(lián)工作以增大設(shè)備功率的情形更常見,以兩只晶閘管并聯(lián)工作為例,如圖二所示。
                                       

理想情況下電流分布,I1=I2=I/2,但是由于元件參數(shù)的差異,比如飽和導(dǎo)通壓降的差異,di/dt的差異,電路安裝時工藝上的細微差別造成分布電感上差異等,直接導(dǎo)致I1≠I2,嚴(yán)重時將使電流較大的元件因過流而燒毀,因此必須采取措施保證I1與I2的差別在允許的范圍內(nèi)。

通常采取的辦法是:1)采用共軛電感,以保證動態(tài)均流;2)并聯(lián)RC電路以吸收浪涌電壓;3)盡量選用通態(tài)壓降一致的晶閘管并聯(lián)工作;4)嚴(yán)格安裝工藝,保證各支路分布電感盡量一致,如圖三所示
                                          
以上所述的保護措施要根據(jù)元件工作頻率的不足區(qū)別對待,在三相整流電路中,通常在電源端增設(shè)△形RC濾波器。

由于晶閘管自身特性參數(shù)的原因,其極限工作頻率一般限制在8KC以下,對于更高頻率的使用要求,目前國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)采用IGBT作為功率開關(guān)元件的超音頻電源。

IGBT的使用與保護

絕緣柵雙極晶體管(IGBT或IGT—InsulatedGateBipolarTransistor),是80年代中期發(fā)展起來的一種新型復(fù)合器件。IGBT綜合了MOSFET和GTR的優(yōu)點,因而具有良好的特性。目前IGBT的電流/電壓等級已達1800A/1200V,關(guān)斷時間已經(jīng)縮短到40ns,工作頻率可達40kHz,擎住現(xiàn)象得到改善,安全工作區(qū)(SOA)擴大。這些優(yōu)越的性能使得IGBT稱為大功率開關(guān)電源、逆變器等電力電子裝置的理想功率器件。IGBT的驅(qū)動方式與可控硅有著明顯的不同,導(dǎo)致控制電路有著很大的差異??煽毓璨捎脧娚仙氐恼}沖信號驅(qū)動,而IGBT采用方波驅(qū)動。

IGBT對柵極驅(qū)動電路的要求

IGBT的靜態(tài)和動態(tài)特性與柵極驅(qū)動條件密切相關(guān)。柵極的正偏壓+VGE、負偏壓-VGE和柵極電阻RG的大小,對IGBT的通態(tài)電壓、開關(guān)時間、開關(guān)損耗,承受短路能力以及dvce/dt等參數(shù)都有不同程度的影響。

柵極驅(qū)動電路提供給IGBT的正偏壓+VGE使IGBT導(dǎo)通。在實際應(yīng)用中,綜合該電壓對開通時間、開通損耗以及器件在短路時承受短路電流時間等方面的因素,通常使用+15V。柵極驅(qū)動電路提供給IGBT的負偏壓-VGE使其關(guān)斷。它直接影響IGBT的可靠運行,為了防止IGBT產(chǎn)生動態(tài)擎住現(xiàn)象,柵極負偏壓應(yīng)為-5V或更低一些的電壓,負偏壓的大小對關(guān)斷時間損耗的影響不大。

此外,柵極驅(qū)動電壓必須有足夠快的上升和下降速度,使IGBT盡快開通和關(guān)斷,以減少開通和關(guān)斷損耗。在器件導(dǎo)通后,驅(qū)動電壓和電流應(yīng)保持足夠的幅度,保證IGBT處于飽和狀態(tài)。由于IGBT多用于高電壓、大電流場合,信號控制電路與驅(qū)動電路之間應(yīng)采用抗干擾能力強、信號傳輸時間短的高速光電隔離器件加以隔離。為了提高抗干擾能力,應(yīng)采用驅(qū)動電路到IGBT模塊的引線盡可能短、引線為雙膠線或屏蔽線等措施。

IGBT的保護措施

由于IGBT具有極高的輸入阻抗,容易造成靜電擊穿,將IGBT用于電力變換時,為了防止異?,F(xiàn)象造成器件損壞,通常采用下列保護措施:
1)通過檢出的過電流信號切斷柵極信號,實現(xiàn)過電流保護;
2)利用緩沖電路抑制過電壓,并限制過高的dv/dt;
3)利用溫度傳感器檢測IGBT的外殼溫度,當(dāng)超過允許溫度時主電路跳閘,實現(xiàn)過熱保護。由于IGBT具有正溫度系數(shù)和良好的并聯(lián)工作特性,IGBT多采用多只元件并聯(lián)工作,主電路除對稱性外,無其他特殊要求。

從目前的使用情況看,采用IGBT作為開關(guān)元件的靜止變頻電源的故障率明顯較低,元器件損壞的較少,維修費用也較低,是靜止變頻技術(shù)新的發(fā)展方向。
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