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：就可控硅勵磁設(shè)備和電機(jī)車上可控硅應(yīng)用情況，在不同的場合、線路和負(fù)載的狀態(tài)下，對可控硅的重要參數(shù)的選擇進(jìn)行了論證，以使設(shè)備運行更良好，使用壽命更長。 關(guān)鍵詞：可控硅；參數(shù)；選擇 電力電子晶閘管亦即過去國內(nèi)稱為可控硅，國外簡稱為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)備運動性能。合理地選用可控硅可提高運行的可靠性和使用壽命，保證生產(chǎn)和降低設(shè)備檢修成本費用。本文就樂山冶金機(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：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，在變頻裝置上的快速或中頻可控硅多一個換向關(guān)斷時間(tg)參數(shù)，在一般情況下也是可以的。但是從提高設(shè)備運行性能和使用壽命的角度出發(fā)，我們在選用可控硅器件時可根據(jù)設(shè)備的特點對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，對可控硅器件參數(shù)的選擇提出如下幾點討論。 1 選擇正反向電壓 可控硅在門極無信號，控制電流ig為0時，在陽(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)。在陽一一陰極之間加上反向電壓時，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時可控硅的反向從阻斷突然轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，此時是反向擊穿，器件會被損壞。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)斷的時候會產(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，必須能夠以電源頻率重復(fù)地經(jīng)受一定的過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，考慮到一些可能會出現(xiàn)的浪涌電壓因素，在選擇代用參數(shù)的時候,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)溫時所允許的最大通態(tài)平均電流。而一般變流器工作時，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)參數(shù) 可控硅門極施加控制信號使它由阻斷變成導(dǎo)通需經(jīng)歷一段時間，這段時問稱開通時間tgt，它是由延遲時間td和上升時間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時起)到通態(tài)陽極電流ia達(dá)到終值的10那瞬為止的時間隔，tr是陽極電流從l0上升到90所經(jīng)歷的時間。可見開通時間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，開通前陽極電壓、開通后陽極電流有關(guān)，普通可控硅的tgt10s以下。在外電路回路電感較大時可達(dá)幾十甚至幾百s以上(陽極電流的上升慢)。在選用可控硅時，特別是在有串并聯(lián)使用時，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)運行時將引起正向電壓無法平均分配，使tgt較長的可控硅管受損，并聯(lián)運行時tgt較短的可控硅管將分配更大的電流而受損，這對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?？蓽p少觸發(fā)不通而出現(xiàn)缺相運行。以上所述說明在某些情況下應(yīng)對vgt和igt參數(shù)進(jìn)行選擇。(以上舉例對500a的可控硅參考參數(shù)) 4 選擇關(guān)斷時間(tg) 可控硅在陽極電流減少為0以后，如果馬上就加上正向陽極電壓，即使無門極信號，它也會再次導(dǎo)通，假如在再次加上正向陽極電壓之前使器件承受一定時間的反向偏置電壓，也不會誤導(dǎo)通，這說明可控硅關(guān)斷后需要一定的時間恢復(fù)其阻斷能力。從電流過o到器件能阻斷重加正向電壓的瞬間為止的最小時聞間隔是可控硅的關(guān)斷時間tg，由反向恢復(fù)時間t和門極恢復(fù)時間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，一定要對關(guān)斷時間參數(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一定值，器件就會轉(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)通時陽極電流上升太快，即可能使pn結(jié)的局部燒壞。所以對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)陽極電壓高而且在峰值時觸發(fā)的情況下對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)下運行外，對可控硅的d/dt和didt同時也要選擇使用，選高一點參數(shù)的使用，另外開通時直接接有大電容容量回路時,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，若陽極電流ia尚未達(dá)到掣住電流il值時，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，仍維持可控硅導(dǎo)通。對如磁選裝置等的電感性負(fù)載應(yīng)加以注意。負(fù)載電流(亦即陽極電流)增長的快慢對于門極脈沖

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)載電流增長快時，在脈沖未消失前，ia>il，脈沖消失后不影響ia的流通，若ia增長慢，脈沖消失時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)電流密度運行的選擇，有限定電流運行性能及過流封鎖保護(hù)，有積分“柔軟啟動”特性，減小對可控硅的沖擊電流，并保留過溫和失壓等開關(guān)信號的封鎖保護(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)的時候應(yīng)根據(jù)不同的場合，線路和負(fù)載的狀態(tài)而對一些特定的參數(shù)多給予選擇的考慮，方可使設(shè)備運行更良好，更可靠和壽命更長。 參考文獻(xiàn) 1?黃俊.電力電子變流