電力電子晶閘管參數(shù)的選擇

1、電力電子晶閘管參數(shù)的選擇    摘 要：就可控硅勵(lì)磁設(shè)備和電機(jī)車上可控硅應(yīng)用情況，在不同的場(chǎng)合、線路和負(fù)載的狀態(tài)下，對(duì)可控硅的重要參數(shù)的選擇進(jìn)行了論證，以使設(shè)備運(yùn)行更良好，使用壽命更長(zhǎng)。 關(guān)鍵詞：可控硅；參數(shù)；選擇 電力電子晶閘管亦即過(guò)去國(guó)內(nèi)稱為可控硅，國(guó)外簡(jiǎn)稱為scr元件，是硅整流裝置中最主要的器件，它的參數(shù)選擇是否合理直接影響著設(shè)備運(yùn)動(dòng)性能。合理地選用可控硅可提高運(yùn)行的可靠性和使用壽命，保證生產(chǎn)和降低設(shè)備檢修成本費(fèi)用。本文就樂(lè)山冶金機(jī)械軋輥廠使用較多的磁選和電機(jī)車設(shè)備選用晶閘管有關(guān)電參數(shù)作出論述。 在一般情況下，裝置生產(chǎn)廠圖紙?zhí)峁┑目煽毓璧膮?shù)最主要

2、兩項(xiàng)：即額定電流(a)和額定電壓(v)，使用部門提出的器件參數(shù)要求也只是這兩項(xiàng)，在變頻裝置上的快速或中頻可控硅多一個(gè)換向關(guān)斷時(shí)間(tg)參數(shù)，在一般情況下也是可以的。但是從提高設(shè)備運(yùn)行性能和使用壽命的角度出發(fā)，我們?cè)谶x用可控硅器件時(shí)可根據(jù)設(shè)備的特點(diǎn)對(duì)可控硅的某一些參數(shù)也作一些挑選。根據(jù)可控硅的靜態(tài)特性，對(duì)可控硅器件參數(shù)的選擇提出如下幾點(diǎn)討論。 1 選擇正反向電壓 可控硅在門極無(wú)信號(hào)，控制電流ig為0時(shí)，在陽(yáng)(a)一一陰(k)極之間加(j2)處于反向偏置，所以，器件呈高阻抗?fàn)顟B(tài)，稱為正向阻斷狀態(tài)，若增大uak而達(dá)到一定值vbo，可控硅由阻斷突然轉(zhuǎn)為導(dǎo)通，這個(gè)vbo值稱為正向轉(zhuǎn)折電壓，這種導(dǎo)通是非

3、正常導(dǎo)通，會(huì)減短器件的壽命。所以必須選擇足夠正向重復(fù)阻斷峰值電壓(vdrm)。在陽(yáng)一一陰極之間加上反向電壓時(shí)，器件的第一和第三pn結(jié)(j1和j3)處于反向偏置，呈阻斷狀態(tài)。當(dāng)加大反向電壓達(dá)到一定值vrb時(shí)可控硅的反向從阻斷突然轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)是反向擊穿，器件會(huì)被損壞。而且vbo和vrb值隨電壓的重復(fù)施加而變小。在感性負(fù)載的情況下，如磁選設(shè)備的整流裝置。在關(guān)斷的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生很高的電壓( =-ldi/dt)，如果電路上未有良好的吸收回路，此電壓將會(huì)損壞可控硅器件。因此，器件也必須有足夠的反向耐壓vrrm。 可控硅在變流器(如電機(jī)車)中工作時(shí)，必須能夠以電源頻率重復(fù)地經(jīng)受一定的過(guò)電壓而不影響其工作

4、，所以正反向峰值電壓參數(shù)vdrm、vrrm應(yīng)保證在正常使用電壓峰值的2-3倍以上，考慮到一些可能會(huì)出現(xiàn)的浪涌電壓因素，在選擇代用參數(shù)的時(shí)候,只能向高一檔的參數(shù)選取。 2 選擇額定工作電流參數(shù) 可控硅的額定電流是在一定條件的最大通態(tài)平均電流it，即在環(huán)境溫度為+40和規(guī)定冷卻條件，器件在阻性負(fù)載的單相工頻正弦半波，導(dǎo)通角不少于l70的電路中，當(dāng)穩(wěn)定的額定結(jié)溫時(shí)所允許的最大通態(tài)平均電流。而一般變流器工作時(shí)，各臂的可控硅有不均流因素?？煽毓柙诙鄶?shù)的情況也不可能在170導(dǎo)通角上工作，通常是少于這一角度。這樣就必須選用可控硅的額定電流稍大一些，一般應(yīng)為其正常電流平均值的1.5-2.0倍。 3 選擇門極(

5、控制級(jí))參數(shù) 可控硅門極施加控制信號(hào)使它由阻斷變成導(dǎo)通需經(jīng)歷一段時(shí)間，這段時(shí)問(wèn)稱開通時(shí)間tgt，它是由延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tx組成，tr是從門極電流脈沖前沿的某一規(guī)定起(比如門極電流上升到終值的90時(shí)起)到通態(tài)陽(yáng)極電流ia達(dá)到終值的10那瞬為止的時(shí)間隔，tr是陽(yáng)極電流從l0上升到90所經(jīng)歷的時(shí)間?？梢?jiàn)開通時(shí)間tgt與可控硅門極的可觸發(fā)電壓、電流有關(guān)，與可控硅結(jié)溫，開通前陽(yáng)極電壓、開通后陽(yáng)極電流有關(guān)，普通可控硅的tgt10s以下。在外電路回路電感較大時(shí)可達(dá)幾十甚至幾百s以上(陽(yáng)極電流的上升慢)。在選用可控硅時(shí)，特別是在有串并聯(lián)使用時(shí)，應(yīng)盡量選擇門極觸發(fā)特征接近的可控硅用在同一設(shè)備上，特別是用在

6、同一臂的串或并聯(lián)位置上。這樣可以提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性和使用壽命。如果觸發(fā)特性相差太大的可控硅在串聯(lián)運(yùn)行時(shí)將引起正向電壓無(wú)法平均分配，使tgt較長(zhǎng)的可控硅管受損，并聯(lián)運(yùn)行時(shí)tgt較短的可控硅管將分配更大的電流而受損，這對(duì)可控硅器件是不利的。所以同一臂上串或并聯(lián)的可控硅觸發(fā)電壓、觸發(fā)電流要盡量一致，也就是配對(duì)使用。 在不允許可控硅有受干擾而誤導(dǎo)通的設(shè)備中，如電機(jī)調(diào)速等，可選擇門極觸發(fā)電壓、電流稍大一些的管子(如可觸發(fā)電壓vgt>2v,可觸發(fā)電流igt：>150ma)以保證不出現(xiàn)誤導(dǎo)通，在觸發(fā)脈沖功率強(qiáng)的電路中也可選擇觸發(fā)電壓、電流稍大一點(diǎn)的管。在磁選礦設(shè)備中，特別是舊的窄脈沖觸發(fā)電路中

7、，可選擇一些vg、ig低一些的管子，如vgt<1.5v、igt在100ma以下。可減少觸發(fā)不通而出現(xiàn)缺相運(yùn)行。以上所述說(shuō)明在某些情況下應(yīng)對(duì)vgt和igt參數(shù)進(jìn)行選擇。(以上舉例對(duì)500a的可控硅參考參數(shù)) 4 選擇關(guān)斷時(shí)間(tg) 可控硅在陽(yáng)極電流減少為0以后，如果馬上就加上正向陽(yáng)極電壓，即使無(wú)門極信號(hào)，它也會(huì)再次導(dǎo)通，假如在再次加上正向陽(yáng)極電壓之前使器件承受一定時(shí)間的反向偏置電壓，也不會(huì)誤導(dǎo)通，這說(shuō)明可控硅關(guān)斷后需要一定的時(shí)間恢復(fù)其阻斷能力。從電流過(guò)o到器件能阻斷重加正向電壓的瞬間為止的最小時(shí)聞間隔是可控硅的關(guān)斷時(shí)間tg，由反向恢復(fù)時(shí)間t和門極恢復(fù)時(shí)間t構(gòu)成，普通可控硅的tg約150-

8、200s，通常能滿足一般工頻下變流器的使用，但在大感性負(fù)載的情況下可作一些選擇。在中頻逆轉(zhuǎn)應(yīng)用，如中頻裝置、電機(jī)車斬波器，變頻調(diào)速等情況中使用，一定要對(duì)關(guān)斷時(shí)間參數(shù)作選擇，一般快速可控硅(即kk型晶閘管)的關(guān)斷時(shí)間在10-50s，其工作頻率可達(dá)到1k-4khz；中速可控硅(即kpk型晶閘管)的關(guān)斷時(shí)間在60-100s，其工作頻率可達(dá)幾百至lkhz，即電機(jī)車的變頻頻率。 5 選擇電壓上升率(ddt)和電流上升率(didt) 當(dāng)可控硅在阻斷狀態(tài)下，如在它的兩端加一正向電壓，即使所加電壓值未達(dá)到其正向最大值斷峰值電壓vdrm，但 只要所加的電壓的上升率超過(guò)一定值，器件就會(huì)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通，這是pn結(jié)的電容引

9、起充電，起到了觸發(fā)作用，式使可控硅誤導(dǎo)通。不同規(guī)格的可控硅都規(guī)定了不同的ddt值，選用時(shí)應(yīng)加以注意，選擇足夠的ddt的可控硅管。一般500a的可控硅ddt在100-200vs。電機(jī)車工作頻率在幾百hz以內(nèi)選用kk或kpk晶閘管應(yīng)選用ddt200-1000vs之間。 當(dāng)門極加入觸發(fā)脈沖后，可控硅首先在門極附近的小區(qū)域內(nèi)導(dǎo)通再逐漸擴(kuò)大，直至全部結(jié)面導(dǎo)通，因此如在剛導(dǎo)通時(shí)陽(yáng)極電流上升太快，即可能使pn結(jié)的局部燒壞。所以對(duì)可控硅的電流上升率應(yīng)作一定的選擇，器件通態(tài)電流上升率(didt)應(yīng)能滿足電路的要求。普通的可控硅(500a)的didt在50一300a/s，在工頻條件下，如磁選機(jī)didt在50as以

10、下就可以滿足使用；在變頻條件下如電機(jī)車didt必須在100as以上。當(dāng)陽(yáng)極電壓高而且在峰值時(shí)觸發(fā)的情況下對(duì)d/dt和didt的要求都比較高，除了應(yīng)使設(shè)備避免在這種狀態(tài)下運(yùn)行外，對(duì)可控硅的d/dt和didt同時(shí)也要選擇使用，選高一點(diǎn)參數(shù)的使用，另外開通時(shí)直接接有大電容容量回路時(shí),也必須選用較大didt的可控硅器件。 6 選擇掣住電流il和維持電流ih 當(dāng)可控硅門極觸發(fā)而導(dǎo)通，若陽(yáng)極電流ia尚未達(dá)到掣住電流il值時(shí)，觸發(fā)脈沖一旦消失，可控硅便又恢復(fù)阻斷狀態(tài)，若ia>il，雖去掉門極脈沖信號(hào)，仍維持可控硅導(dǎo)通。對(duì)如磁選裝置等的電感性負(fù)載應(yīng)加以注意。負(fù)載電流(亦即陽(yáng)極電流)增長(zhǎng)的快慢對(duì)于門極脈沖

11、消失后可控硅是否能繼續(xù)導(dǎo)通很重要，如圖(1)所示：負(fù)載電流增長(zhǎng)快時(shí)，在脈沖未消失前，ia>il，脈沖消失后不影響ia的流通，若ia增長(zhǎng)慢，脈沖消失時(shí)ia該電路的脈沖列寬有效地保證了可控硅的維持導(dǎo)通，對(duì)可控硅的維持電流參數(shù)可以不作要求。據(jù)了解該電路還有穩(wěn)壓或穩(wěn)流或穩(wěn)電流密度運(yùn)行的選擇，有限定電流運(yùn)行性能及過(guò)流封鎖保護(hù)，有積分“柔軟啟動(dòng)”特性，減小對(duì)可控硅的沖擊電流，并保留過(guò)溫和失壓等開關(guān)信號(hào)的封鎖保護(hù)接口，大大提高了設(shè)備使用的可靠性使用壽命，廣東大寶山鐵礦等的磁選機(jī)用該電路后都取得了極好的效果。 綜上所述，在選擇可控硅器件參數(shù)的時(shí)候應(yīng)根據(jù)不同的場(chǎng)合，線路和負(fù)載的狀態(tài)而對(duì)一些特定的參數(shù)多給予選擇的考慮，方可使設(shè)備運(yùn)行更良好，更可靠和壽命更長(zhǎng)。 參考文獻(xiàn) 1?黃俊.電力電子變