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我國20世紀80年代以前的靜止變頻技術(shù)由于受到電力電子器件技術(shù)的影響，一直處于停滯不前的狀態(tài)，各個(gè)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(zhù)20世紀90年代初電力電子器件的發(fā)展，目前國內中頻電機組正呈被淘汰的格局，靜止變頻設備開(kāi)始大量使用，特別是在音頻、超音頻領(lǐng)域，表現更為明顯。80年代、90年代，國內靜止變頻基本上采用晶閘管作為功率開(kāi)關(guān)元件，工藝水平基本上以8KC為上限。到2000年，國內開(kāi)始出現采用IGBT作為功率開(kāi)關(guān)器件的變頻技術(shù)，工作頻率可達20KC，功率可達300KW。目前國內已出現50KC、100KW的全固態(tài)電源，可以說(shuō)靜止變頻技術(shù)目前國內處于高速發(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(jiǎn)稱(chēng)，它是具有PNPN四層結構的各種開(kāi)關(guān)器件的總稱(chēng)。按照國際電工委員會(huì )（IEC）的定義，晶閘管指那些具有3個(gè)以上的PN結，主電壓——電流特征至少在一個(gè)象限內具有導通、阻斷兩個(gè)穩定狀態(tài)，且可在這兩個(gè)穩定狀態(tài)之間進(jìn)行轉換的半導體器件。我們通常說(shuō)的晶閘管是其中之一，統稱(chēng)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(mén)極可關(guān)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(shù)上的原因，單個(gè)晶閘管的電壓、電流容量是有限的，往往不能滿(mǎn)足大功率的要求，為了解決這個(gè)問(wèn)題，須采用兩個(gè)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存在差異，在晶閘管串、并聯(lián)工作時(shí)，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，以保證各個(gè)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(wèn)題。這就需要解決晶閘管的工作電壓平均分配問(wèn)題，包括靜態(tài)均壓與動(dòng)態(tài)均壓。靜態(tài)均壓可采用無(wú)感電阻串聯(lián)分壓的方式解決；動(dòng)態(tài)均壓比較復雜，這是因為：元件參數dv/dt的差異以及反向恢復時(shí)間的差異導致開(kāi)通與關(guān)斷過(guò)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(wèn)題可采用并聯(lián)電容以限制dv/dt，但是，實(shí)際上元件開(kāi)通過(guò)程中電容通過(guò)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構。 晶閘管的并聯(lián) 由于單個(gè)元件耐壓水平的提高，每個(gè)元件并聯(lián)工作以增大設備功率的情形更常見(jiàn)，以?xún)芍痪чl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，但是由于元件參數的差異，比如飽和導通壓降的差異，di/dt的差異，電路安裝時(shí)工藝上的細微差別造成分布電感上差異等，直接導致I1≠I(mǎi)2，嚴重時(shí)將使電流較大的元件因過(guò)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。 通常采取的辦法是：1）采用共軛電感，以保證動(dòng)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元件工作頻率的不足區別對待，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，目前國內已經(jīng)出現采用IGBT作為功率開(kāi)關(guān)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(lái)的一種新型復合器件。IGBT綜合了MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的特性。目前IGBT的電流/電壓等級已達1800A/1200V，關(guān)斷時(shí)間已經(jīng)縮短到40ns，工作頻率可達40kHz，擎住現象得到改善，安全工作區（SOA）擴大。這些優(yōu)越的性能使得IGBT稱(chēng)為大功率開(kāi)關(guān)電源、逆變器等電力電子裝置的理想功率器件。IGBT的驅動(dòng)方式與可控硅有著(zhù)明顯的不同，導致控制電路有著(zhù)很大的差異�？煽毓璨捎脧娚仙氐恼}沖信號驅動(dòng)，而IGBT采用方波驅動(dòng)。 IGBT對柵極驅動(dòng)電路的要求 IGBT的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性與柵極驅動(dòng)條件密切相關(guān)。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(kāi)關(guān)時(shí)間、開(kāi)關(guān)損耗，承受短路能力以及dvce/dt等參數都有不同程度的影響。 柵極驅動(dòng)電路提供給IGBT的正偏壓+VGE使IGBT導通。在實(shí)際應用中，綜合該電壓對開(kāi)通時(shí)間、開(kāi)通損耗以及器件在短路時(shí)承受短路電流時(shí)間等方面的因素，通常使用+15V。柵極驅動(dòng)電路提供給IGBT的負偏壓-VGE使其關(guān)斷。它直接影響IGBT的可靠運行，為了防止IGBT產(chǎn)生動(dòng)態(tài)擎住現象，柵極負偏壓應為-5V或更低一些的電壓，負偏壓的大小對關(guān)斷時(shí)間損耗的影響不大。 此外，柵極驅動(dòng)電壓必須有足夠快的上升和下降速度，使IGBT盡快開(kāi)通和關(guān)斷，以減少開(kāi)通和關(guān)斷損耗。在器件導通后，驅動(dòng)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(chǎng)合，信號控制電路與驅動(dòng)電路之間應采用抗干擾能力強、信號傳輸時(shí)間短的高速光電隔離器件加以隔離。為了提高抗干擾能力，應采用驅動(dòng)電路到IGBT模塊的引線(xiàn)盡可能短、引線(xiàn)為雙膠線(xiàn)或屏蔽線(xiàn)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(shí)，為了防止異�，F象造成器件損壞，通常采用下列保護措施： 1）通過(guò)檢出的過(guò)電流信號切斷柵極信號，實(shí)現過(guò)電流保護； 2）利用緩沖電路抑制過(guò)電壓，并限制過(guò)高的dv/dt; 3）利用溫度傳感器檢測IGBT的外殼溫度，當超過(guò)允許溫度時(shí)主電路跳閘，實(shí)現過(guò)熱保護。由于IGBT具有正溫度系數和良好的并聯(lián)工作特性，IGBT多采用多只元件并聯(lián)工作，主電路除對稱(chēng)性外，無(wú)其他特殊要求。 從目前的使用情況看，采用IGBT作為開(kāi)關(guān)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(shù)新的發(fā)展方向。 |
