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晶閘管(可控硅）應(yīng)用指南

2009年07月25日 14:44 技術(shù)部 作者：佚名 用戶評(píng)論（0）
關(guān)鍵字：可控硅(71974)

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晶閘管(可控硅）應(yīng)用指南

技術(shù)部

一. 參數(shù)說明
1. 參數(shù)表中所給出的數(shù)據(jù)，ITSM、I2t、dv/dt、di/dt指的是元件所能滿足的最小值, Qr、VTM、VTO、rT指元件可滿足(不超過)的最大值。
2. 通態(tài)平均電流額定值ITAV(IFAV)
? ITAV(IFAV)指在雙面冷卻條件下，保證散熱器溫度55℃時(shí)，允許元件流過的最大正弦半波電流平均值。ITAV(IFAV)對(duì)應(yīng)元件額定有效值IRMS=1.57 ITAV。實(shí)際使用中，若不能保證散熱器溫度低于55℃或散熱器與元件接觸熱阻遠(yuǎn)大于規(guī)定值，則元件應(yīng)降額使用。
3. 晶閘管通態(tài)電流上升率di/dt
參數(shù)表中所給的為元件通態(tài)電流上升率的臨界重復(fù)值。其對(duì)應(yīng)不重復(fù)測(cè)試值為重復(fù)值的2倍以上，在使用過程中，必須保證元件導(dǎo)通期任何時(shí)候的電流上升率都不能超過其重復(fù)值。
4. 晶閘管使用頻率

晶閘管可工作的最大頻率由其工作時(shí)的電流脈沖寬度tp，關(guān)斷時(shí)間tq以及從關(guān)斷后承受正壓開始至其再次開通的時(shí)間tV決定。fmax=1/(tq+tp+tV)。根據(jù)工作頻率選取元件時(shí)必須保證元件從正向電流過零至開始承受正壓的時(shí)間間隔tH>tq，并留有一定的裕量。隨著工作頻率的升高，元件正向損耗Epf和反向恢復(fù)損耗Epr隨之升高，元件通態(tài)電流須降額使用。

二. 元件的選擇
正確地選擇晶閘管、整流管等電力電子器件對(duì)保證整機(jī)設(shè)備的可靠性及降低設(shè)備成本具有重要意義。元件的選擇要綜合考慮其使用環(huán)境、冷卻方式、線路型式、負(fù)載性質(zhì)等因素，在保證所選元件各參數(shù)具有裕量的條件下兼顧經(jīng)濟(jì)性。由于電力電子器件的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，具體應(yīng)用形式多種多樣，下面僅就晶閘管元件在整流電路和單項(xiàng)中頻逆變電路中的選擇加以說明。
1. 整流電路器件選擇
工頻整流是晶閘管元件最常用的領(lǐng)域之一。元件選用主要考慮其額定電壓和額定電流。
(1) 晶閘管器件的正反向峰值電壓VDRM和VRRM：應(yīng)為元件實(shí)際承受最大峰值電壓UM的2-3倍，即VDRM/RRM=(2-3)UM。各種整流線路對(duì)應(yīng)的UM值見表1。
(2) 晶閘管器件的額定通態(tài)電流IT(AV)：晶閘管的IT(AV)值指的是工頻正弦半波平均值，其對(duì)應(yīng)的有效值ITRMS=1.57IT(AV)。為使元件在工作過程中不因過熱損壞，流經(jīng)元件的實(shí)際有效值應(yīng)在乘以安全系數(shù)1.5-2后才能等于1.57IT(AV)。假設(shè)整流電路負(fù)載平均電流為Id，流經(jīng)每個(gè)器件的電流有效值為KId，則所選器件的額定通態(tài)電流應(yīng)為：
IT(AV)=(1.5-2)KId / 1.57=Kfd*Id
Kfd為計(jì)算系數(shù)。對(duì)于控制角α=0O時(shí)，各種整流電路下的Kfd值見表1。選擇元件IT(AV)值還應(yīng)考慮元件散熱方式。一般情況下風(fēng)冷比水冷相同元件的額定電流值要低；自然冷卻情況下，元件的額定電流要降為標(biāo)準(zhǔn)冷卻條件下的三分之一。
表1：整流器件的最大峰值電壓UM及通態(tài)平均電流計(jì)算系數(shù)Kfd
整流電路 單相半波 單項(xiàng)雙半波 單項(xiàng)橋式 三相半波 三相橋式 帶平衡電抗器
的雙反星型
UM U2 U2 U2 U2 U2 U2
Kfd
α=0O		 電阻負(fù)載 1 0.5 0.5 0.375 0.368 0.185
電感負(fù)載 0.45 0.45 0.45 0.368 0.368 0.184
注：U2為主回路變壓器二次相電壓有效值;單項(xiàng)半波電感負(fù)載電路帶續(xù)流二極管。
2. 中頻逆變?cè)倪x擇
一般400HZ以上的工作條件下，應(yīng)考慮使用KK器件；頻率在4KHz以上時(shí)，可考慮使用KA器件。這里主要介紹一下并聯(lián)逆變電路中元件的選擇(見圖一)。
(1) 元件正向和反向峰值電壓VDRM、VRRM
元件正向和反向峰值電壓應(yīng)取其實(shí)際承受最大正、反向峰值電壓的1.5-2倍。假設(shè)逆變器直流輸入電壓為Ud，功率因數(shù)為cosψ則：
VDRM/RRM=(1.5-2)πUd /(2cosψ)
(2) 元件的額定通態(tài)電流IT(AV)
考慮到元件在較高頻率下工作時(shí)，其開關(guān)損耗非常顯著，元件的額定通態(tài)電流應(yīng)按實(shí)際流過其有效值I的2-3倍來考慮，即
IT(AV)=(2-3)I/1.57
假設(shè)逆變器直流輸入電流為Id，則所選器件IT(AV)為
IT(AV)=(2-3)×Id/(1.57 )
(3) 關(guān)斷時(shí)間tq
并聯(lián)逆變線路中，KK元件的關(guān)斷時(shí)間選擇要根據(jù)觸發(fā)引前時(shí)間tf和換流時(shí)間tr來決定。一般取：
? tq=(tf-tr)× ?
? (當(dāng)功率因數(shù)為0.8時(shí)tf約為周期的十分之一，tr按元件di/dt小于或等于100A/μS來確定)
? 在頻率較高時(shí)，可通過減小換流時(shí)間tr，并適當(dāng)犧牲功率因數(shù)增加tf的方法來選擇具有合適tq值的元件
? 以上簡(jiǎn)略介紹了整流和逆變工作條件下元件的選擇。在許多情況下，除了元件的額定電壓、電流外，還要根據(jù)具體條件選擇元件的門極參數(shù)、通態(tài)壓降以及斷態(tài)電壓臨界上升率dv/dt和通態(tài)電流臨界上升率di/dt。
三. 元件的保護(hù)
? 晶閘管元件的電壓和電流過載能力極差，尤其是耐壓能力，瞬時(shí)的過壓就會(huì)造成元件永久性的損壞。為了使元件能長(zhǎng)期可靠地運(yùn)行，必須針對(duì)過壓
和過電流發(fā)生的原因采取保護(hù)措施。
1. 過壓保護(hù)
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晶閘管工作過程中可能承受的過壓主要有以下幾種：一種是由于裝置拉、合閘、負(fù)載打火等引起的過壓；一種是由于元件關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的關(guān)斷電壓；還有因雷擊等原因從電網(wǎng)侵入的浪涌電壓。為限制過電壓的幅值低于元件的正反向峰值電壓，可采取以下保護(hù)措施(見圖二)。


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(1) 在變壓器一次側(cè)接上避雷器，在二次側(cè)加裝阻容保護(hù)、硒堆、壓敏電阻等非線性電阻元件進(jìn)行保護(hù)。在整流直流側(cè)采取壓敏電阻和泄能保護(hù)裝置，以防止元件承受過電壓。
(2) 在晶閘管陰陽極兩端直接進(jìn)行保護(hù)。晶閘管關(guān)斷過程中主電流過零反向后迅速由反向峰值恢復(fù)至零電流，此過程可在元件兩端產(chǎn)生達(dá)正常工作峰值電壓5-6倍的尖峰電壓。一般建議在盡可能靠近元件本身的地方接上阻容吸收回路。電阻R選無感電阻，通常取5-30Ω；電容C通常在0.1-1μF，耐壓選元件耐壓的1.1-1.5倍。具體R、C取值可根據(jù)元件型號(hào)及工作情況調(diào)試決定。注意保證電阻R的功率，尤其在中頻逆變電路中，使之不會(huì)因發(fā)熱而損壞。
2. 過流保護(hù)
? 晶閘管元件在短時(shí)間內(nèi)具有一定的過流能力，但在過流嚴(yán)重時(shí)，不采取保護(hù)措施，就會(huì)造成元件損壞。在線路設(shè)計(jì)和元件選擇時(shí)應(yīng)考慮負(fù)載短路和過載情況，確保在異常情況下設(shè)備能自動(dòng)保護(hù)。一般有以下幾種措施(見圖三)。
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(1) 在進(jìn)線中串接電抗器限制短路電流，使其他保護(hù)方式切斷電流前元件短時(shí)間內(nèi)不致?lián)p壞；
(2) 線路采用過流檢測(cè)裝置，由過流信號(hào)控制觸發(fā)器抑制過流，或接入過流繼電器。
(3) 安裝快速熔斷器?？焖偃蹟嗥鞯膭?dòng)作時(shí)間要求在10ms以內(nèi)，熔斷體的額定電流IKR可按以下原則選?。?br>1.57IT(AV)≥IKR≥IT
? IT(AV)為元件額定電流，IT為元件實(shí)際工作電流有效值
四. 晶閘管門極觸發(fā)
? 參數(shù)表中所給晶閘管IGT、VGT為能觸發(fā)元件至通態(tài)的最小值，實(shí)際使用中，晶閘管門極觸發(fā)IGT、VGT應(yīng)遠(yuǎn)大于此值。
? 應(yīng)用中門極觸發(fā)電流波形對(duì)晶閘管開通時(shí)間、開通損耗以及di/dt承受能力，都有較大影響。為保證元件工作在最佳狀態(tài)，并增強(qiáng)抗干擾性能，對(duì)儀元公司所有晶閘管，建議門極觸發(fā)脈沖電流幅值：IGM=2～5A(<10A)，上升率：diG/dt≥2A/μs，上升時(shí)間：tr≤1μs。即采用極陡前沿的強(qiáng)觸發(fā)脈沖(見圖四)。
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五. 元件串并聯(lián)使用
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元件串并聯(lián)使用時(shí)，線路上應(yīng)采取門極強(qiáng)觸發(fā)脈沖、均流、均壓措施，還須挑選開通、恢復(fù)特性一致的元件。特別是元件串聯(lián)工作于較高di/dt的逆變線路中時(shí)，其反向恢復(fù)特性對(duì)動(dòng)態(tài)均壓起主要作用。


六. 散熱器與元件的安裝
? 元件的冷卻方式有加裝散熱器自然冷卻，風(fēng)冷和水冷等方式，為了使元件充分地發(fā)揮其額定性能并加強(qiáng)使用中的可靠性，除必須科學(xué)地選擇散熱器外還需正確地安裝。只有正確地安裝散熱器才能保證其與元件芯片間的熱阻Rj-hs滿足數(shù)據(jù)表中的要求。
在元件與散熱器的安裝時(shí)，應(yīng)注意以下事項(xiàng)：
1. 散熱器的臺(tái)面必須與元件臺(tái)面尺寸相匹配，防止壓扁、壓歪損壞器件。
2. 散熱器臺(tái)面必須具有較高的平整、光潔度。建議散熱器臺(tái)面粗糙度小于或等于1.6μm，平整度小于或等于30μm。安裝時(shí)元件臺(tái)面與散熱器臺(tái)面應(yīng)保持清潔干凈無油污等臟物。
3. 安裝時(shí)要保證元件臺(tái)面與散熱器的臺(tái)面完全平行、同心。安裝過程中，要求通過元件中心線施加壓力以使壓力均勻分布在整個(gè)接觸區(qū)域。用戶手工安裝時(shí)，建議使用扭矩扳手，對(duì)所有緊固螺母交替均勻用力，壓力的大小要達(dá)到數(shù)據(jù)表中的要求。
4. 在重復(fù)使用水冷散熱器時(shí)，應(yīng)特別注意檢查其臺(tái)面是否光潔、平整，水腔內(nèi)是否有水垢和堵塞，尤其注意臺(tái)面是否出現(xiàn)下陷情況，若出現(xiàn)了上述情況應(yīng)予以更換。
水冷散熱器安裝圖見下圖(圖五):
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? 在使用中需注意，風(fēng)冷方式加裝散熱器后，一般要求風(fēng)速不低于6m/s；水冷方式要求水冷散熱器水流量不小于4×103 ml/min，進(jìn)水溫度5℃-35℃,水質(zhì)ρ≤2.5KΩcm。
儀元公司可提供SS水冷系列和SF風(fēng)冷系列以及各類非標(biāo)及組件散熱器，為元件配套使用。
根據(jù)元件通態(tài)額定平均電流推薦配置的標(biāo)準(zhǔn)型散熱器型號(hào)見下表。
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元件通態(tài)額定平均電流 推薦散熱器型號(hào)
水冷 風(fēng)冷
100A-200A SS11 SF12
300A SS12 SF13
400A SF13、SF14
500A-600A SS12、SS13 SF15
800A SS13 SF16
1000A SS14 SF17
1000A-3000A SS14 ?
? 其中SF系列風(fēng)冷散熱器是指在強(qiáng)迫風(fēng)冷(風(fēng)速≥6m/s)條件下的推薦配置，用戶在使用時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際散熱條件并考慮可靠性要求進(jìn)行選擇。對(duì)于1000A以上元件一般不推薦使用風(fēng)冷散熱器，若使用風(fēng)冷散熱器，則元件額定電流需降額使用。
? 用戶未作特別要求時(shí)，儀元公司所提供的成套元件都按標(biāo)準(zhǔn)配置安裝散熱器。
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