功率器件在靜止變頻技術中的應用

　　我國20世紀80年代以前的靜止變頻技術由于受到電力電子器件技術的影響，一直處于停滯不前的狀態(tài)，各個行業(yè)感應加熱用中頻電源基本上使用中頻變頻電機供電。隨著20世紀90年代初電力電子器件的發(fā)展，目前國內(nèi)中頻電機組正呈被淘汰的格局，靜止變頻設備開始大量使用，特別是在音頻、超音頻領域，表現(xiàn)更為明顯。80年代、90年代，國內(nèi)靜止變頻基本上采用晶閘管作為功率開關元件，工藝水平基本上以8KC為上限。到2000年，國內(nèi)開始出現(xiàn)采用IGBT作為功率開關器件的變頻技術，工作頻率可達20KC，功率可達300KW。目前國內(nèi)已出現(xiàn)50KC、100KW的全固態(tài)電源，可以說靜止變頻技術目前國內(nèi)處于高速發(fā)展的階段。

　　晶閘管的使用與保護

　　晶閘管是晶體閘流管的簡稱，它是具有PNPN四層結(jié)構的各種開關器件的總稱。按照國際電工委員會（IEC）的定義，晶閘管指那些具有3個以上的PN結(jié)，主電壓——電流特征至少在一個象限內(nèi)具有導通、阻斷兩個穩(wěn)定狀態(tài)，且可在這兩個穩(wěn)定狀態(tài)之間進行轉(zhuǎn)換的半導體器件。我們通常說的晶閘管是其中之一，統(tǒng)稱可控硅（SiliconControlledRectifier），主要有普通晶閘管（KP）、快速晶閘管（KK）、高頻晶閘管（KG）、雙向可控硅、門極可關斷晶閘管（GTO——GateTurnOffThyristor）和光控晶閘管（LTT——LightTriggeredThristor）等。

　　晶閘管的應用

　　由于技術上的原因，單個晶閘管的電壓、電流容量是有限的，往往不能滿足大功率的要求，為了解決這個問題，須采用兩個或更多晶閘管的串、并聯(lián)工作方式。由于工藝條件的限制，晶閘管本身的特性參數(shù)存在差異，在晶閘管串、并聯(lián)工作時，必須采取嚴格的措施，使電流電壓差異限制在允許的范圍之內(nèi)，以保證各個晶閘管可靠工作。

　　晶閘管的串聯(lián)

　　通常使用兩只晶閘管串聯(lián)工作以解決單只晶閘管耐壓不足的問題。這就需要解決晶閘管的工作電壓平均分配問題，包括靜態(tài)均壓與動態(tài)均壓。靜態(tài)均壓可采用無感電阻串聯(lián)分壓的方式解決；動態(tài)均壓比較復雜，這是因為：元件參數(shù)dv/dt的差異以及反向恢復時間的差異導致開通與關斷過程中元件承受的電壓分配不均，極端情況可使支路電壓全部加在一只晶閘管上。

　　這一問題可采用并聯(lián)電容以限制dv/dt，但是，實際上元件開通過程中電容通過元件放電影響di/dt，通常又在電容上串聯(lián)電阻，形成RC阻容吸收均壓電路。為限制支路上的浪涌電流，通常在支路上串聯(lián)飽和電感或磁環(huán)，這樣就構成了如圖所示的電路結(jié)構。

　　晶閘管的并聯(lián)

　　由于單個元件耐壓水平的提高，每個元件并聯(lián)工作以增大設備功率的情形更常見，以兩只晶閘管并聯(lián)工作為例，如圖二所示。

　　理想情況下電流分布，I1=I2=I/2，但是由于元件參數(shù)的差異，比如飽和導通壓降的差異，di/dt的差異，電路安裝時工藝上的細微差別造成分布電感上差異等，直接導致I1≠I2，嚴重時將使電流較大的元件因過流而燒毀，因此必須采取措施保證I1與I2的差別在允許的范圍內(nèi)。

　　通常采取的辦法是：1）采用共軛電感，以保證動態(tài)均流；2）并聯(lián)RC電路以吸收浪涌電壓；3）盡量選用通態(tài)壓降一致的晶閘管并聯(lián)工作；4）嚴格安裝工藝，保證各支路分布電感盡量一致，如圖三所示。

　　以上所述的保護措施要根據(jù)元件工作頻率的不足區(qū)別對待，在三相整流電路中，通常在電源端增設△形RC濾波器。

　　由于晶閘管自身特性參數(shù)的原因，其極限工作頻率一般限制在8KC以下，對于更高頻率的使用要求，目前國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)采用IGBT作為功率開關元件的超音頻電源。

　　IGBT的使用與保護

　　絕緣柵雙極晶體管（IGBT或IGT—InsulatedGateBipolarTransistor），是80年代中期發(fā)展起來的一種新型復合器件。IGBT綜合了MOSFET和GTR的優(yōu)點，因而具有良好的特性。目前IGBT的電流/電壓等級已達1800A/1200V，關斷時間已經(jīng)縮短到40ns，工作頻率可達40kHz，擎住現(xiàn)象得到改善，安全工作區(qū)（SOA）擴大。這些優(yōu)越的性能使得IGBT稱為大功率開關電源、逆變器等電力電子裝置的理想功率器件。IGBT的驅(qū)動方式與可控硅有著明顯的不同，導致控制電路有著很大的差異。可控硅采用強上升沿的窄脈沖信號驅(qū)動，而IGBT采用方波驅(qū)動。

　　IGBT對柵極驅(qū)動電路的要求

　　IGBT的靜態(tài)和動態(tài)特性與柵極驅(qū)動條件密切相關。柵極的正偏壓+VGE、負偏壓-VGE和柵極電阻RG的大小，對IGBT的通態(tài)電壓、開關時間、開關損耗，承受短路能力以及dvce/dt等參數(shù)都有不同程度的影響。

　　柵極驅(qū)動電路提供給IGBT的正偏壓+VGE使IGBT導通。在實際應用中，綜合該電壓對開通時間、開通損耗以及器件在短路時承受短路電流時間等方面的因素，通常使用+15V。柵極驅(qū)動電路提供給IGBT的負偏壓-VGE使其關斷。它直接影響IGBT的可靠運行，為了防止IGBT產(chǎn)生動態(tài)擎住現(xiàn)象，柵極負偏壓應為-5V或更低一些的電壓，負偏壓的大小對關斷時間損耗的影響不大。

　　此外，柵極驅(qū)動電壓必須有足夠快的上升和下降速度，使IGBT盡快開通和關斷，以減少開通和關斷損耗。在器件導通后，驅(qū)動電壓和電流應保持足夠的幅度，保證IGBT處于飽和狀態(tài)。由于IGBT多用于高電壓、大電流場合，信號控制電路與驅(qū)動電路之間應采用抗干擾能力強、信號傳輸時間短的高速光電隔離器件加以隔離。為了提高抗干擾能力，應采用驅(qū)動電路到IGBT模塊的引線盡可能短、引線為雙膠線或屏蔽線等措施。

　　IGBT的保護措施

　　由于IGBT具有極高的輸入阻抗，容易造成靜電擊穿，將IGBT用于電力變換時，為了防止異?，F(xiàn)象造成器件損壞，通常采用下列保護措施：

　　1）通過檢出的過電流信號切斷柵極信號，實現(xiàn)過電流保護；

　　2）利用緩沖電路抑制過電壓，并限制過高的dv/dt;

　　3）利用溫度傳感器檢測IGBT的外殼溫度，當超過允許溫度時主電路跳閘，實現(xiàn)過熱保護。由于IGBT具有正溫度系數(shù)和良好的并聯(lián)工作特性，IGBT多采用多只元件并聯(lián)工作，主電路除對稱性外，無其他特殊要求。

　　從目前的使用情況看，采用IGBT作為開關元件的靜止變頻電源的故障率明顯較低，元器件損壞的較少，維修費用也較低，是靜止變頻技術新的發(fā)展方向。