電力電子晶閘管參數的選擇論文

電力電子晶閘管參數的選擇論文

　　摘 要：就可控硅勵磁設備和電機車上可控硅應用情況，在不同的場合、線路和負載的狀態下，對可控硅的重要參數的選擇進行了論證，以使設備運行更良好，使用壽命更長。關鍵詞：可控硅；參數；選擇

　　中圖分類號：TM2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3198（2007）08-0190-02

　　電力電子晶閘管亦即過去國內稱為可控硅，國外簡稱為SCR元件，是硅整流裝置中最主要的器件，它的參數選擇是否合理直接影響著設備運動性能。合理地選用可控硅可提高運行的可靠性和使用壽命，保證生產和降低設備檢修成本費用。本文就樂山冶金機械軋輥廠使用較多的磁選和電機車設備選用晶閘管有關電參數作出論述。

　　在一般情況下，裝置生產廠圖紙提供的可控硅的參數最主要兩項：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斷時間(tg)參數，在一般情況下也是可以的。但是從提高設備運行性能和使用壽命的角度出發，我們在選用可控硅器件時可根據設備的特點對可控硅的某一些參數也作一些挑選。根據可控硅的靜態特性，對可控硅器件參數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，器件呈高阻抗狀態，稱為正向阻斷狀態，若增大UAK而達到一定值VBO，可控硅由阻斷突然轉為導通，這個VBO值稱為正向轉折電壓，這種導通是非正常導通，會減短器件的壽命。所以必須選擇足夠正向重復阻斷峰值電壓(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(J1和J3)處于反向偏置，呈阻斷狀態。當加大反向電壓達到一定值VRB時可控硅的反向從阻斷突然轉變為導通狀態，此時是反向擊穿，器件會被損壞。而且VBO和VRB值隨電壓的重復施加而變小。在感性負載的情況下，如磁選設備的整流裝置。在關斷的時候會產生很高的電壓( ∈=-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(如電機車)中工作時，必須能夠以電源頻率重復地經受一定的過電壓而不影響其工作，所以正反向峰值電壓參數VDRM、VRRM應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的浪涌電壓因素，在選擇代用參數的時候,只能向高一檔的參數選取。

　　2 選擇額定工作電流參數

　　可控硅的額定電流是在一定條件的最大通態平均電流IT，即在環境溫度為+40℃和規定冷卻條件，器件在阻性負載的單相工頻正弦半波，導通角不少于l70℃的電路中，當穩定的額定結溫時所允許的最大通態平均電流。而一般變流器工作時，各臂的可控硅有不均流因素。可控硅在多數的情況也不可能在170℃導通角上工作，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，一般應為其正常電流平均值的1.5-2.0倍。

　　3 選擇門極(控制級)參數

　　可控硅門極施加控制信號使它由阻斷變成導通需經歷一段時間，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定起(比如門極電流上升到終值的90％時起)到通態陽極電流IA達到終值的10％那瞬為止的時間隔，tr是陽極電流從l0％上升到90％所經歷的時間�？梢婇_通時間tgt與可控硅門極的可觸發電壓、電流有關，與可控硅結溫，開通前陽極電壓、開通后陽極電流有關，普通可控硅的tgt10μs以下。在外電路回路電感較大時可達幾十甚至幾百μs以上(陽極電流的上升慢)。在選用可控硅時，特別是在有串并聯使用時，應盡量選擇門極觸發特征接近的可控硅用在同一設備上，特別是用在同一臂的串或并聯位置上。這樣可以提高設備運行的可靠性和使用壽命。如果觸發特性相差太大的可控硅在串聯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的可控硅觸發電壓、觸發電流要盡量一致，也就是配對使用。

　　在不允許可控硅有受干擾而誤導通的設備中，如電機調速等，可選擇門極觸發電壓、電流稍大一些的管子(如可觸發電壓VGT>2V,可觸發電流IGT：>150mA)以保證不出現誤導通，在觸發脈沖功率強的電路中也可選擇觸發電壓、電流稍大一點的管。在磁選礦設備中，特別是舊的窄脈沖觸發電路中，可選擇一些VG、IG低一些的管子，如VGT<1.5V、IGT在≤100mA以下。可減少觸發不通而出現缺相運行。以上所述說明在某些情況下應對VGT和IGT參數進行選擇。(以上舉例對500A的可控硅參考參數)

　　4 選擇關斷時間(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，也不會誤導通，這說明可控硅關斷后需要一定的時間恢復其阻斷能力。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斷時間tg，由反向恢復時間t和門極恢復時間t構成，普通可控硅的tg約150-200μs，通常能滿足一般工頻下變流器的使用，但在大感性負載的情況下可作一些選擇。在中頻逆轉應用，如中頻裝置、電機車斬波器，變頻調速等情況中使用，一定要對關斷時間參數作選擇，一般快速可控硅(即kk型晶閘管)的關斷時間在10-50μs，其工作頻率可達到1K-4KHZ；中速可控硅(即KPK型晶閘管)的關斷時間在60-100μs，其工作頻率可達幾百至lKHZ，即電機車的變頻頻率。

　　5 選擇電壓上升率(dμ／dt)和電流上升率(di／dt)

　　當可控硅在阻斷狀態下，如在它的兩端加一正向電壓，即使所加電壓值未達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，器件就會轉為導通，這是PN結的電容引起充電，起到了觸發作用，式使可控硅誤導通。不同規格的可控硅都規定了不同的dμ／dt值，選用時應加以注意，選擇足夠的dμ／dt的可控硅管。一般500A的可控硅dμ／dt在100-200V／μs。電機車工作頻率在幾百HZ以內選用KK或KPK晶閘管應選用dμ／dt200-1000V／μs之間。

　　當門極加入觸發脈沖后，可控硅首先在門極附近的小區域內導通．再逐漸擴大，直至全部結面導通，因此如在剛導通時陽極電流上升太快，即可能使PN結的局部燒壞。所以對可控硅的電流上升率應作一定的選擇，器件通態電流上升率(di／dt)應能滿足電路的要求。普通的可控硅(500A)的di／dt在50一300A/μs，在工頻條件下，如磁選機di／dt在50A／μs以下就可以滿足使用；在變頻條件下．如電機車di／dt必須在100A／μs以上。當陽極電壓高而且在峰值時觸發的情況下對dμ/dt和di／dt的要求都比較高，除了應使設備避免在這種狀態下運行外，對可控硅的dμ/dt和di／dt同時也要選擇使用，選高一點參數的使用，另外開通時直接接有大電容容量回路時,也必須選用較大di／dt的可控硅器件。

　　6 選擇掣住電流IL和維持電流IH

　　當可控硅門極觸發而導通，若陽極電流IA尚未達到掣住電流IL值時，觸發脈沖一旦消失，可控硅便又恢復阻斷狀態，若IA>IL，雖去掉門極脈沖信號，仍維持可控硅導通。對如磁選裝置等的電感性負載應加以注意。負載電流(亦即陽極電流)增長的快慢對于門極脈沖消失后可控硅是否能繼續導通很重要，如圖(1)所示：負載電流增長快時，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<IL，以致脈沖消失是可控硅恢復阻斷，IA驟降至0。這就易引起缺臂運行，對器件不利，且輸出亦不穩定。這種情況可考慮可控硅的維持電流IH(等效于選掣住電流)作一定的選擇，選一些維持電流(掣住電流)較小的。一般500A晶閘管的維持電流為幾十至幾百毫安，在電機車變頻工作條件下，應選IH≤200MA；而磁選工作條件下，如觸發脈沖寬度較窄，也應選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, 宋體; WHITE-SPACE: normal; COLOR: rgb(0,0,0); WORD-SPACING: 0px; PADDING-TOP: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px"

　　在保證可控硅可靠觸發并維持導通方面，據了解，有些半導體材料生產廠引人了日本的線路技術；“寬脈沖列觸發線路”，該脈沖列幅度前沿陡、寬度大(脈沖列寬l80°，一般窄脈沖只有30°一50°，強觸發脈沖也只有約90°)，所觸發快速、可靠，而且由于是脈沖列，所以功耗特別小(強觸發的寬脈沖功耗特別大是一個重要的缺點)。如圖(2)所示：

　　該電路的脈沖列寬有效地保證了可控硅的維持導通，對可控硅的維持電流參數可以不作要求。據了解該電路還有穩壓或穩流或穩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，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信號的封鎖保護接口，大大提高了設備使用的可靠性使用壽命，廣東大寶山鐵礦等的磁選機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的時候應根據不同的場合，線路和負載的狀態而對一些特定的參數多給予選擇的考慮，方可使設備運行更良好，更可靠和壽命更長。

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