晶閘管的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)研究

1、高壓串聯(lián)晶閘管的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)研究陳安新(長(zhǎng)沙奧托自動(dòng)化技術(shù)有限公司摘要:晶閘管因受其自身工藝條件的限制,晶閘管的耐壓不可能無(wú)限制地提高,但晶閘管的應(yīng)用環(huán)境所 要求的耐壓卻越來(lái)越高。為了滿足高耐壓就不得不采用晶閘管串聯(lián)技術(shù),為保證高壓串聯(lián)晶閘管安全可 靠地運(yùn)行,高壓串聯(lián)晶閘管的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)必將成為所有晶閘管應(yīng)用廠家必須研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)課題。筆者 根據(jù)晶閘管自身的性能特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種完善的高壓晶閘管的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路,可靠地避免了晶閘管在 應(yīng)用的過(guò)程中因觸發(fā)不可靠及電網(wǎng)諧波而損壞。關(guān)鍵詞:晶閘管、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、串聯(lián)技術(shù)The research on the high-voltage series thyri

2、stors drive and protection CHEN Anxin(CHANGSHA ATA AUTOMATION CO.,LTDAbsttract :As the thyristors process condition of its own is limited, the voltage cant be increased indefintely. Howerver, the thyristors voltage requied by the application enviroment is getting higher and higher. In oder to meet t

3、he high-voltage, the thyristor series technology have to be adopted. For the safety and reliability of the high-voltage series thyristors running, all the thyr istor manufacturers have to do research on the drive and protection of the high-voltage series thyristor.Based on the thyristors own perform

4、ance,the author designed a complete circuit of the high-voltage thyristors drive and protection. And it safely avoid the damage caused by the insecure trigger or the power system harmonic.Keywords:thyristor,drive,protection,the series technology0引言我們國(guó)內(nèi)在高壓串聯(lián)晶閘管的應(yīng)用方面起步較晚,晶閘管的串聯(lián)技術(shù)在我們國(guó)家最早是 少量應(yīng)用到大型整流設(shè)備中的

5、。 到上世紀(jì)九十年代中期才開(kāi)始應(yīng)用到中高壓固態(tài)軟起動(dòng)裝置 高低壓動(dòng)態(tài)功率補(bǔ)償裝置中,真正在電力電子行業(yè)廣泛應(yīng)用是 2000年以后才大批量應(yīng)用于 大型整流設(shè)備、低、中、高壓軟起動(dòng)器、高低壓動(dòng)態(tài)功率補(bǔ)償、繞線電機(jī)調(diào)速控制器、風(fēng)力 發(fā)電設(shè)備等產(chǎn)品中。 晶閘管得到了廣泛的應(yīng)用與快速發(fā)展。 國(guó)內(nèi)晶閘管的應(yīng)用技術(shù)也從消化 吸收走向自我開(kāi)發(fā)并達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。 在高壓串聯(lián)晶閘管的應(yīng)用過(guò)程中晶閘管故障幾乎占 據(jù)了電力電子設(shè)備故障率的 90%以上, 這一直困擾各大晶閘管應(yīng)用廠家, 成為一個(gè)行業(yè)難題。 筆者結(jié)合多年的晶閘管應(yīng)用經(jīng)驗(yàn), 分析了晶閘管產(chǎn)生故障的原因, 初步探索了可靠驅(qū)動(dòng)及保護(hù)晶閘管的解決辦法。1晶閘管

6、產(chǎn)生故障的原因目前因受其技術(shù)及工藝條件的限制,晶閘管的耐壓水平最高僅到直流 8500V, 而真正已成 熟并投入使用的晶閘管的耐壓僅有直流 6500V (dv/dt最大也就 2000V/us 。 而目前工業(yè)電網(wǎng) 電壓大多為三相交流 6kV 、 10kV 、 35kV , 單只直流 6500V 的晶閘管是無(wú)法應(yīng)用于三相交流 6kV 、 10kV 、 35kV 電網(wǎng)系統(tǒng)中的, 要應(yīng)用就必須采用高壓晶閘管串聯(lián)技術(shù), 即將多只晶閘管串聯(lián)起 來(lái)。而高壓晶閘管串聯(lián)的應(yīng)用就帶來(lái)了一系列的問(wèn)題,具體如下:(1 、加在串聯(lián)的每只晶閘管上的電壓不均勻就很容易引起晶閘管因過(guò)壓而損壞;(2 、電網(wǎng)存在電壓諧波也很容易引

7、起晶閘管因 dv/dt瞬時(shí)過(guò)壓而損壞;(3 、串聯(lián)的多只晶閘管因開(kāi)通與關(guān)斷不同步同樣會(huì)引起晶閘管因過(guò)壓而損壞。從目前高壓串聯(lián)晶閘管的故障來(lái)看, 幾乎所有晶閘管的損壞均由上述 3種情況所引起的, 行業(yè)內(nèi)統(tǒng)稱為過(guò)壓損壞。綜合以上的分析可知,晶閘管的損壞主要與電壓有關(guān),有必要從電 壓著手進(jìn)行研究, 針對(duì)性的對(duì)晶閘管進(jìn)行相應(yīng)驅(qū)動(dòng)與保護(hù)措施, 以防止晶閘管因過(guò)壓而損壞。 2高壓串聯(lián)晶閘管的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)研究2.1高壓串聯(lián)晶閘管的驅(qū)動(dòng) 圖 1-1 觸發(fā)系統(tǒng)圖晶閘管觸發(fā)電路的作用是將控制信號(hào) Uk 轉(zhuǎn)變成延遲角 (或 信號(hào),通過(guò)觸發(fā)電路 向晶閘管提供門極電流,決定各個(gè)晶閘管的導(dǎo)通時(shí)刻。因此,觸發(fā)電路與主回路一樣

8、是晶閘 管裝置中的重要部分。兩者之間即相對(duì)獨(dú)立,相互依存。正確設(shè)計(jì)的觸發(fā)電路可以充分發(fā)揮 晶閘管裝置的潛力,保證運(yùn)行的安全可靠。觸發(fā)電路在晶閘管變流裝置中的地位如圖 1-2所示, 可把觸發(fā)電路和主回路看成一個(gè)功率放大器, 以小功率的輸入信號(hào)直接控制大功率的輸 出。 晶閘管裝置種類很多,工作方式也不同,故對(duì)觸發(fā)電路的要求也不同。具體如下: (1 、觸發(fā)信號(hào)可以是交流,直流或脈沖形式。由于晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通后,門極即失去控制作 用,為減少門極損耗,一般觸發(fā)信號(hào)采用脈沖形式。(2 、 觸發(fā)信號(hào)應(yīng)有一定的功率及寬度。 觸發(fā)電路的任務(wù)是提供控制晶閘管的門極觸發(fā)信號(hào)。 由于晶閘管門極參數(shù)的分散性以及其觸發(fā)電壓

9、、電流隨溫度變化的特性,為使各合格 元件在各種條件下均能可靠觸發(fā),觸發(fā)電流、電壓必須大于門極觸發(fā)電流 I GT 和觸發(fā) 電壓 U GT ,既脈沖信號(hào)出發(fā)功率必須保證在各種工作條件下都能使晶閘管可靠導(dǎo)通。 觸發(fā)脈沖信號(hào)應(yīng)有一定的寬度,脈沖前沿要陡,保證觸發(fā)的晶閘管可靠導(dǎo)通。如果觸 發(fā)脈沖過(guò)窄,在脈沖終止時(shí)主回路電流還未上升到晶閘管的擎住電流,則晶閘管會(huì)重 新關(guān)斷。對(duì)于三相全橋是整流電路,要求觸發(fā)脈沖信號(hào)是間隔 600的雙窄脈沖或大于 600小于 1200的寬脈沖或脈沖列。(3 、為使串聯(lián)晶閘管元件能同時(shí)導(dǎo)通,觸發(fā)電路應(yīng)能產(chǎn)生強(qiáng)觸發(fā)脈沖。在大電流晶閘管串 聯(lián)電路中,要求串聯(lián)元件能同時(shí)導(dǎo)通,各元件的

10、 di/dt都應(yīng)在允許范圍之內(nèi)。由于元件 特性的分散性, 先導(dǎo)通元件的 di/dt就會(huì)超過(guò)允許值而損壞, 故應(yīng)采取圖 1-3所示的強(qiáng)觸 發(fā)脈沖。強(qiáng)觸發(fā)電流幅度為觸發(fā)電流值的 5倍左右,前沿陡度應(yīng)不小于 0.5A/uS,最好 大于 1A/uS(即 0t1d段 ; 強(qiáng)觸發(fā)寬度對(duì)應(yīng)時(shí)間 t2應(yīng)大于 50uS , 脈沖持續(xù)時(shí)間 t3應(yīng)大于 (4 、 觸發(fā)脈沖的同步及移相范圍。 為使晶閘管在每個(gè)周期都在相同的控制角 下觸發(fā)導(dǎo)通, 觸發(fā)脈沖必須與電源同步,也就是說(shuō)觸發(fā)信號(hào)應(yīng)與電源保持固定的相位關(guān)系。同時(shí), 未了使電路在給定的范圍內(nèi)工作,應(yīng)保證觸發(fā)脈沖能在相應(yīng)范圍內(nèi)工作,應(yīng)保證觸發(fā) 脈沖能在相應(yīng)的范圍內(nèi)進(jìn)行

11、移相。為保證逆變工作安全可靠,對(duì)最小的逆變角 min 也應(yīng)加以限制,一般 min=300350。(5 、隔離輸出方式及抗干擾能力。觸發(fā)電路通常采用單獨(dú)的低電壓電源供電,因此應(yīng)采用 某種方法將其與主回路電源隔離。 常用的是在觸發(fā)電路與主回路之間連接脈沖變壓器。 此類脈沖變壓器需做專門設(shè)計(jì)。觸發(fā)電路正確可靠的運(yùn)行是對(duì)晶閘管設(shè)備的安全運(yùn)行 極為重要的環(huán)節(jié)。引起出發(fā)電路誤動(dòng)作的主要原因之一是從主回路或安裝在觸發(fā)電路 附近的繼電器和接觸器引起的干擾。主電路的干擾常通過(guò)觸發(fā)電路的輸出級(jí)而進(jìn)入觸 發(fā)電路, 常用的干擾措施為:脈沖變壓器采用靜電屏蔽, 串聯(lián)二極管、 并聯(lián)電容等 (如 圖 1-1 。2.2、晶閘

12、管的保護(hù):晶閘管元件有很多的優(yōu)點(diǎn) , 但由于擊穿電壓比較接近工作電壓, 熱容量又小, 因此 承受過(guò)電壓 , 過(guò)電流能力差, 短時(shí)間的過(guò)電壓、 過(guò)電流都可能造成元件損壞。 為了使晶 閘管元件能正常工作而不損壞,除合理選擇元件外,還必須針對(duì)過(guò)電壓、過(guò)電流發(fā)生 的原因采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。 凡超過(guò)晶閘管正常工作時(shí)所承受的最大峰值電壓的電壓 均為過(guò)電壓。過(guò)電壓根據(jù)產(chǎn)生的原因可分為二大類 :、操作過(guò)電壓 :由變流裝置拉、合閘和器件關(guān)斷等經(jīng)常性操作中電磁過(guò)程引起的過(guò)電壓 ; 、 浪涌過(guò)電壓 :由雷擊等偶然原因引起 , 從電網(wǎng)進(jìn)入變流裝置的過(guò)電壓 , 其幅度可能比操作 過(guò)電壓過(guò)高 .對(duì)過(guò)電壓進(jìn)行保護(hù)的原則是

13、:使操作過(guò)電壓限制在晶閘管額定電壓 U R 以下 , 使浪涌過(guò)電壓限制在晶閘管的斷態(tài)和 反向不重復(fù)峰值電壓 U DSM 和 U RSM 以下。一個(gè)晶閘管變流裝置或系統(tǒng)應(yīng)采取過(guò)電壓保護(hù)措 施的部位可分為交流側(cè)、直流側(cè)、整流主電路等幾部分。對(duì)于交流側(cè)發(fā)生的過(guò)電壓 , 通?？刹扇∫韵卤Ｗo(hù)措施 :、 雷擊過(guò)電壓可在變壓器原邊加接避雷器保護(hù) .、 原邊電壓很高或變比很大的變壓器,由于原、副邊繞組間存在分布電容,原邊合閘時(shí) 高電壓可能通過(guò)分布電容耦合到副邊而出現(xiàn)瞬時(shí)過(guò)電壓。 對(duì)此可采取變壓器附加屏蔽繞組接地或變壓器星形中點(diǎn)通過(guò)電容接地方法來(lái)減小。、 整流變壓器空載且電源電壓過(guò)零時(shí)原邊拉閘 , 此時(shí)變壓器激

14、磁電流及鐵芯中磁通最大 , 它們的突變將在副邊中感應(yīng)出很高的過(guò)電壓 , 此時(shí)可以采用阻容保護(hù)或整流式阻容保 護(hù)。、 對(duì)于雷擊或更高的浪涌電壓 , 如阻容保護(hù)還不能吸收或抑制時(shí) , 還應(yīng)采用壓敏電阻等非線 性電阻進(jìn)行保護(hù)。變流裝置輸出接有感性負(fù)載 (平波電抗器 , 直流電機(jī)繞組等 , 當(dāng)電路閉合時(shí)不會(huì)產(chǎn) 生過(guò)電壓 , 但當(dāng)橋臂上整流元件過(guò)電流保護(hù)用的快速熔斷器熔斷時(shí) , 儲(chǔ)存在負(fù)載中的磁 場(chǎng)能量突然釋放 , 就會(huì)在直流輸出端產(chǎn)生過(guò)電壓 . 另外當(dāng)變流裝置過(guò)載、 熔斷器切斷過(guò)載 電流時(shí) , 整流變壓器儲(chǔ)能的突然釋放也會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓 . 盡管變壓器副邊已采取保護(hù)措施 , 但變壓器過(guò)載時(shí)儲(chǔ)能比空載時(shí)儲(chǔ)能大 , 過(guò)電壓還會(huì)通過(guò)導(dǎo)通的整流元件反映到直流側(cè)來(lái) , 帶來(lái)了直流側(cè)過(guò)電壓的保護(hù)問(wèn)題 . 因此 , 應(yīng)在直流側(cè)設(shè)置與交流側(cè)相同的保護(hù)措施 , 其參 數(shù)選擇原則也相同 .變流裝置中的晶閘管元件在導(dǎo)通時(shí) , 載流子充滿各半導(dǎo)體層,關(guān)斷時(shí)由于反向陽(yáng)極 電壓的作用 , 正向電流將下降到零。 當(dāng)元件電流下降為零時(shí)元件內(nèi)仍殘存著很多載流子 , 它們?cè)诜聪螂妷旱睦^續(xù)作用下將反向運(yùn)動(dòng)形成較大的反向電流。 反向電流將使載流子迅 速消失, 造成反向電流以極快的速度下降至很小的反向漏電流。 由于電流變化率 di c /dt極大 , 即使和元件串聯(lián)的線路電感 L B 很小 , 但感應(yīng)電勢(shì) L