襄陽(yáng)源創(chuàng)電氣有限公司小王告訴我們：隨著電力電子設(shè)備向高壓、大電流、高功率方向的發(fā)展，越來越多的場(chǎng)合需用到數(shù)只晶閘管串、并聯(lián)連接作為一個(gè)臂使用。為保證各晶閘管工作時(shí)電壓及電流的均衡，需要在器件的選擇及使用中采取必要的措施。采用“工藝控制+恢復(fù)電荷測(cè)試+串、并聯(lián)試驗(yàn)篩選”的方法為用戶挑選配對(duì)器件，經(jīng)過長(zhǎng)期試驗(yàn)和用戶使用，證明可有效地保證串、并聯(lián)器件動(dòng)態(tài)工作參數(shù)的一致性。
一．晶閘管的串聯(lián)使用
1．串聯(lián)晶閘管工作過程分析
串聯(lián)晶閘管工作時(shí)，各器件的均壓是我們最關(guān)心的問題。如果將串聯(lián)器件的一個(gè)工作周期分成五個(gè)階段，可包括正向阻斷、開通、通態(tài)、反向恢復(fù)及反向阻斷階段。在正向及反向阻斷階段，串聯(lián)器件的電壓分配主要由其阻斷伏安特性決定，即特性硬、相同漏電流下阻斷電壓高的器件將承受較高的電壓。在開通階段，器件由斷態(tài)向通態(tài)過渡，如果器件開通的時(shí)間不一致，則后開通的器件在短時(shí)間內(nèi)將承受過電壓。在反向恢復(fù)階段，器件由通態(tài)向反向阻斷狀態(tài)過渡，主電流反向抽取一定量的反向恢復(fù)電荷Qrr后，器件恢復(fù)反向阻斷能力。如果串聯(lián)器件的反向恢復(fù)特性不一致，則先恢復(fù)的器件將承受過電壓。
根據(jù)上述分析，串聯(lián)器件的均壓使用主要需解決正反向阻斷、開通及恢復(fù)三種狀態(tài)下的電壓分配問題。近年來，針對(duì)晶閘管在不同領(lǐng)域的串并聯(lián)應(yīng)用要求，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝控制，大大提高了器件開通及恢復(fù)參數(shù)的一致性，同時(shí)開發(fā)了中、低頻晶閘管串并聯(lián)試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)串并聯(lián)器件進(jìn)行進(jìn)一步篩選。
2．串聯(lián)晶閘管器件選擇
從理論上講，晶閘管的串聯(lián)使用需選擇阻斷特性、開通特性、恢復(fù)特性一致的器件。對(duì)公司的器件，采用適當(dāng)?shù)耐獠烤鶋杭伴T極強(qiáng)觸發(fā)措施后，實(shí)際使用中只需對(duì)器件的反向恢復(fù)特性進(jìn)行控制即可。
一般認(rèn)為，選擇反向恢復(fù)電荷一致的器件，即可獲得良好的均壓，但實(shí)際使用中卻并不完全如此。串聯(lián)的器件只有在相同的恢復(fù)時(shí)間內(nèi)，以相同的速率將各自的恢復(fù)電荷取完抽畢后，才能同時(shí)完成恢復(fù) 過程。
一個(gè)完整的恢復(fù)特性包括：反向恢復(fù)時(shí)間trr、反向恢復(fù)峰值電流IRR、恢復(fù)電荷Qr、恢復(fù)軟度因子等。同時(shí)恢復(fù)特性又是器件通態(tài)電流、電流下降率、溫度等條件的函數(shù)。單純根據(jù)某一條件下的恢復(fù)電荷測(cè)試值來挑選器件配對(duì)，并不能保證在不同實(shí)際應(yīng)用條件下的可靠性。因此，采用的是“工藝控制+恢復(fù)電荷測(cè)試+串聯(lián)試驗(yàn)篩選”的方法為用戶挑選配對(duì)器件。只要用戶在訂貨時(shí)注明配對(duì)要求，即可得到具有良好串聯(lián)性能的器件。圖2為公司串、并聯(lián)配對(duì)試驗(yàn)臺(tái)。
3．串聯(lián)晶閘管器件使用注意事項(xiàng)
3.1 采用穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)均壓措施
為保證器件在阻斷狀態(tài)下的電壓均衡,可給每只串聯(lián)器件并聯(lián)一只均壓電阻Rp，如圖3所示。其阻值Rp的選取原則是在工作電壓下讓流過電阻的電流為器件在額定結(jié)溫下漏電流的2-5倍。
由于器件的開通和恢復(fù)過程中可能存在差異，因此采用并聯(lián)阻容吸收電路進(jìn)行動(dòng)態(tài)均壓也是必不可少的。適當(dāng)參數(shù)的吸收電路可將串聯(lián)器件的不均衡電壓限制在一定范圍內(nèi)，如圖3所示。其取值與串聯(lián)器件恢復(fù)特性及工作條件有關(guān)，對(duì)于儀元公司的快速晶閘管，一般可選擇：
Cb=0.1-0.4?F, Rb=8-20W
具體數(shù)值可由調(diào)試決定。需注意，Rb、Cb應(yīng)選擇無感電阻和無感電容，并用盡量短的線就近聯(lián)接在晶閘管兩端。在較高頻率工作時(shí)，Rb功耗可能會(huì)高達(dá)數(shù)千瓦，需考慮其功率和散熱問題。
3.2 門極觸發(fā)脈沖的要求
晶閘管的開通過程受其門極觸發(fā)脈沖影響很大，強(qiáng)觸發(fā)脈沖可以減小器件開通時(shí)間，促使串聯(lián)器件同時(shí)開通。同時(shí)強(qiáng)觸發(fā)脈沖還具有減小器件開通損耗，增強(qiáng)器件di/dt承受能力的作用。因此，給串聯(lián)器件施加同步的、前沿極陡的、強(qiáng)度足夠的觸發(fā)脈沖是十分必要的。我們建議的觸發(fā)脈沖要求為：
觸發(fā)電流幅值：IGM=4-10IGT，觸發(fā)電流上升時(shí)間：tr低于1?s
3.3 串聯(lián)器件的熱平衡要求
這是許多用戶容易忽略的問題，由于器件的阻斷、開通、恢復(fù)等特性均隨芯片的溫度變化而變化，因此保證串聯(lián)器件在工作過程中的任一狀態(tài)及時(shí)刻都具有同步的溫度變化，是保證器件可靠均壓的基礎(chǔ)。在有可能的場(chǎng)合，可考慮讓串聯(lián)器件共用同一散熱體，以保證器件溫度的一致性。
二．晶閘管的并聯(lián)使用
1．影響并聯(lián)器件電流均衡的因素
晶閘管的并聯(lián)使用，主要需考慮其通態(tài)的均流問題。實(shí)際使用中，影響器件均流的主要因素有：
a．并聯(lián)晶閘管的開通時(shí)間不一致；
b．并聯(lián)晶閘管的通態(tài)伏安特性不一致；
c．并聯(lián)器件主電路配置不合理。
2．并聯(lián)晶閘管的選擇
根據(jù)上述分析，并聯(lián)晶閘管應(yīng)選擇開通時(shí)間和通態(tài)伏安特性一致的器件。這里所說的通態(tài)伏安特性一致，并不是簡(jiǎn)單的指在某一電流點(diǎn)上器件的壓降一致，而是指在器件工作的整個(gè)電流范圍內(nèi)，均具有一致的壓降特性。由于器件實(shí)際特性的差異性，我們?cè)诮o用戶匹配并聯(lián)器件時(shí)，優(yōu)選考慮器件在正常工作大電流區(qū)段的壓降一致性，以保證用戶使用中器件的可靠性。用戶需要用到并聯(lián)器件時(shí)，可在訂貨時(shí)注明要求，并說明器件實(shí)際工作電流，公司會(huì)根據(jù)用戶的具體情況，測(cè)試挑選合適的器件。
3．并聯(lián)晶閘管器件使用注意事項(xiàng)
3.1 主電路的合理配置
并聯(lián)晶閘管器件使用時(shí)要特別注意每一條器件支路的阻抗一致性，如果并聯(lián)支路的配置不合理，則電阻、自感、互感的差異酒會(huì)導(dǎo)致電流的不均衡，如圖5所示。在大電流及多相交流裝置中，還需考慮各支路電流對(duì)附近金屬的渦流發(fā)熱影響及相與相之間的磁場(chǎng)影響。
3.2門極觸發(fā)脈沖的要求
為增強(qiáng)器件開通時(shí)間的一致性，與串聯(lián)使用一樣，需對(duì)門極采用同步強(qiáng)觸發(fā)脈沖。要求：
觸發(fā)電流幅值：IGM=4-10IGT
觸發(fā)電流上升時(shí)間：tr低于1?s
同時(shí)需考慮增加脈沖寬度或采用重復(fù)觸發(fā)措施。尤其是針對(duì)大電流、高阻斷電壓器件，在并聯(lián)使用時(shí)，器件開通時(shí)間的差異以及開通后門檻電壓的不一致，可能會(huì)導(dǎo)致并聯(lián)的高門檻電壓器件不能開通。適當(dāng)?shù)脑黾娱T極脈沖寬度，可使在小電流起始階段不能開通的器件隨著電流的增大重新開通。
3.3 溫度平衡及其它均流措施
與晶閘管串聯(lián)使用一樣，需考慮并聯(lián)器件的溫度平衡問題。
在一些場(chǎng)合，可考慮采用各晶閘管支路串聯(lián)電阻、電抗器或采用均流互感器進(jìn)行強(qiáng)迫均流。
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