电力电子晶闸管参数的选择论文

摘 要:就可控硅励磁设备和电机车上可控硅应用情况,在不同的场合、线路和负载的状态下,对可控硅的重要参数的选择进行了论证,以使设备运行更良好,使用寿命更长。关键词:可控硅;参数;选择 中图分类号:TM2 文献标识码:A 文章编号:1672-3198(2007)08-0190-02
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  摘 要:就可控硅励磁设备和电机车上可控硅应用情况,在不同的场合、线路和负载的状态下,对可控硅的重要参数的选择进行了论证,以使设备运行更良好,使用寿命更长。关键词:可控硅;参数;选择

  中图分类号:TM2 文献标识码:A 文章编号:1672-3198(2007)08-0190-02

  电力电子晶闸管亦即过去国内称为可控硅,国外简称为SCR元件,是硅整流装置中最主要的器件,它的参数选择是否合理直接影响着设备运动性能。合理地选用可控硅可提高运行的可靠性和使用寿命,保证生产和降低设备检修成本费用。本文就乐山冶金机械轧辊厂使用较多的磁选和电机车设备选用晶闸管有关电参数作出论述。

  在一般情况下,装置生产厂图纸提供的可控硅的参数最主要两项:即额定电流(A)和额定电压(V),使用部门提出的器件参数要求也只是这两项,在变频装置上的快速或中频可控硅多一个换向关断时间(tg)参数,在一般情况下也是可以的。但是从提高设备运行性能和使用寿命的角度出发,我们在选用可控硅器件时可根据设备的特点对可控硅的某一些参数也作一些挑选。根据可控硅的静态特性,对可控硅器件参数的选择提出如下几点讨论。

  1 选择正反向电压

  可控硅在门极无信号,控制电流Ig为0时,在阳(A)一一阴(K)极之间加(J2)处于反向偏置,所以,器件呈高阻抗状态,称为正向阻断状态,若增大UAK而达到一定值VBO,可控硅由阻断突然转为导通,这个VBO值称为正向转折电压,这种导通是非正常导通,会减短器件的寿命。所以必须选择足够正向重复阻断峰值电压(VDRM)。在阳一一阴极之间加上反向电压时,器件的第一和第三PN结(J1和J3)处于反向偏置,呈阻断状态。当加大反向电压达到一定值VRB时可控硅的反向从阻断突然转变为导通状态,此时是反向击穿,器件会被损坏。而且VBO和VRB值随电压的重复施加而变小。在感性负载的情况下,如磁选设备的整流装置。在关断的时候会产生很高的电压( ∈=-Ldi/dt),如果电路上未有良好的吸收回路,此电压将会损坏可控硅器件。因此,器件也必须有足够的反向耐压VRRM。

  可控硅在变流器(如电机车)中工作时,必须能够以电源频率重复地经受一定的过电压而不影响其工作,所以正反向峰值电压参数VDRM、VRRM应保证在正常使用电压峰值的2-3倍以上,考虑到一些可能会出现的浪涌电压因素,在选择代用参数的时候,只能向高一档的参数选取。

  2 选择额定工作电流参数

  可控硅的额定电流是在一定条件的最大通态平均电流IT,即在环境温度为+40℃和规定冷却条件,器件在阻性负载的单相工频正弦半波,导通角不少于l70℃的电路中,当稳定的额定结温时所允许的最大通态平均电流。而一般变流器工作时,各臂的可控硅有不均流因素。可控硅在多数的情况也不可能在170℃导通角上工作,通常是少于这一角度。这样就必须选用可控硅的额定电流稍大一些,一般应为其正常电流平均值的1.5-2.0倍。

  3 选择门极(控制级)参数

  可控硅门极施加控制信号使它由阻断变成导通需经历一段时间,这段时问称开通时间tgt,它是由延迟时间td和上升时间tx组成,tr是从门极电流脉冲前沿的某一规定起(比如门极电流上升到终值的90%时起)到通态阳极电流IA达到终值的10%那瞬为止的时间隔,tr是阳极电流从l0%上升到90%所经历的时间。可见开通时间tgt与可控硅门极的可触发电压、电流有关,与可控硅结温,开通前阳极电压、开通后阳极电流有关,普通可控硅的tgt10μs以下。在外电路回路电感较大时可达几十甚至几百μs以上(阳极电流的上升慢)。在选用可控硅时,特别是在有串并联使用时,应尽量选择门极触发特征接近的可控硅用在同一设备上,特别是用在同一臂的串或并联位置上。这样可以提高设备运行的可靠性和使用寿命。如果触发特性相差太大的可控硅在串联运行时将引起正向电压无法平均分配,使tgt较长的可控硅管受损,并联运行时tgt较短的可控硅管将分配更大的电流而受损,这对可控硅器件是不利的。所以同一臂上串或并联的可控硅触发电压、触发电流要尽量一致,也就是配对使用。

  在不允许可控硅有受干扰而误导通的设备中,如电机调速等,可选择门极触发电压、电流稍大一些的管子(如可触发电压VGT>2V,可触发电流IGT:>150mA)以保证不出现误导通,在触发脉冲功率强的电路中也可选择触发电压、电流稍大一点的管。在磁选矿设备中,特别是旧的窄脉冲触发电路中,可选择一些VG、IG低一些的管子,如VGT<1.5V、IGT在≤100mA以下。可减少触发不通而出现缺相运行。以上所述说明在某些情况下应对VGT和IGT参数进行选择。(以上举例对500A的可控硅参考参数)

  4 选择关断时间(tg)

  可控硅在阳极电流减少为0以后,如果马上就加上正向阳极电压,即使无门极信号,它也会再次导通,假如在再次加上正向阳极电压之前使器件承受一定时间的反向偏置电压,也不会误导通,这说明可控硅关断后需要一定的时间恢复其阻断能力。从电流过O到器件能阻断重加正向电压的瞬间为止的最小时闻间隔是可控硅的关断时间tg,由反向恢复时间t和门极恢复时间t构成,普通可控硅的tg约150-200μs,通常能满足一般工频下变流器的使用,但在大感性负载的情况下可作一些选择。在中频逆转应用,如中频装置、电机车斩波器,变频调速等情况中使用,一定要对关断时间参数作选择,一般快速可控硅(即kk型晶闸管)的关断时间在10-50μs,其工作频率可达到1K-4KHZ;中速可控硅(即KPK型晶闸管)的关断时间在60-100μs,其工作频率可达几百至lKHZ,即电机车的变频频率。

  5 选择电压上升率(dμ/dt)和电流上升率(di/dt)

  当可控硅在阻断状态下,如在它的两端加一正向电压,即使所加电压值未达到其正向最大值断峰值电压VDRM,但

  只要所加的电压的上升率超过一定值,器件就会转为导通,这是PN结的电容引起充电,起到了触发作用,式使可控硅误导通。不同规格的可控硅都规定了不同的dμ/dt值,选用时应加以注意,选择足够的dμ/dt的可控硅管。一般500A的可控硅dμ/dt在100-200V/μs。电机车工作频率在几百HZ以内选用KK或KPK晶闸管应选用dμ/dt200-1000V/μs之间。

  当门极加入触发脉冲后,可控硅首先在门极附近的小区域内导通.再逐渐扩大,直至全部结面导通,因此如在刚导通时阳极电流上升太快,即可能使PN结的局部烧坏。所以对可控硅的电流上升率应作一定的选择,器件通态电流上升率(di/dt)应能满足电路的要求。普通的可控硅(500A)的di/dt在50一300A/μs,在工频条件下,如磁选机di/dt在50A/μs以下就可以满足使用;在变频条件下.如电机车di/dt必须在100A/μs以上。当阳极电压高而且在峰值时触发的情况下对dμ/dt和di/dt的要求都比较高,除了应使设备避免在这种状态下运行外,对可控硅的dμ/dt和di/dt同时也要选择使用,选高一点参数的使用,另外开通时直接接有大电容容量回路时,也必须选用较大di/dt的可控硅器件。

  6 选择掣住电流IL和维持电流IH

  当可控硅门极触发而导通,若阳极电流IA尚未达到掣住电流IL值时,触发脉冲一旦消失,可控硅便又恢复阻断状态,若IA>IL,虽去掉门极脉冲信号,仍维持可控硅导通。对如磁选装置等的电感性负载应加以注意。负载电流(亦即阳极电流)增长的快慢对于门极脉冲消失后可控硅是否能继续导通很重要,如图(1)所示:负载电流增长快时,在脉冲未消失前,IA>IL,脉冲消失后不影响IA的流通,若IA增长慢,脉冲消失时IA<IL,以致脉冲消失是可控硅恢复阻断,IA骤降至0。这就易引起缺臂运行,对器件不利,且输出亦不稳定。这种情况可考虑可控硅的维持电流IH(等效于选掣住电流)作一定的选择,选一些维持电流(掣住电流)较小的。一般500A晶闸管的维持电流为几十至几百毫安,在电机车变频工作条件下,应选IH≤200MA;而磁选工作条件下,如触发脉冲宽度较窄,也应选IH≤200MA。 style="PADDING-BOTTOM: 0px; TEXT-TRANSFORM: none; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); TEXT-INDENT: 0px; MARGIN: 0px; PADDING-LEFT: 0px; LETTER-SPACING: normal; PADDING-RIGHT: 0px; FONT: 14px/25px Arial, 宋体; WHITE-SPACE: normal; COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; PADDING-TOP: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px"

  在保证可控硅可靠触发并维持导通方面,据了解,有些半导体材料生产厂引人了日本的线路技术;“宽脉冲列触发线路”,该脉冲列幅度前沿陡、宽度大(脉冲列宽l80°,一般窄脉冲只有30°一50°,强触发脉冲也只有约90°),所触发快速、可靠,而且由于是脉冲列,所以功耗特别小(强触发的宽脉冲功耗特别大是一个重要的缺点)。如图(2)所示:

  该电路的脉冲列宽有效地保证了可控硅的维持导通,对可控硅的维持电流参数可以不作要求。据了解该电路还有稳压或稳流或稳电流密度运行的选择,有限定电流运行性能及过流封锁保护,有积分“柔软启动”特性,减小对可控硅的冲击电流,并保留过温和失压等开关信号的封锁保护接口,大大提高了设备使用的可靠性使用寿命,广东大宝山铁矿等的磁选机用该电路后都取得了极好的效果。

  综上所述,在选择可控硅器件参数的时候应根据不同的场合,线路和负载的状态而对一些特定的参数多给予选择的考虑,方可使设备运行更良好,更可靠和寿命更长。

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