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晶閘管串、并聯配對選擇及使用要求

2011年03月25日 11:15:49人氣：6318來源：北京博飛宏大電子科技有限公司

晶閘管串、并聯配對選擇及使用要求

隨著電力電子設備向高壓、大電流、高功率方向的發展，越來越多的場合需用到數只晶閘管串、并聯連接作為一個臂使用。為保證各晶閘管工作時電壓及電流的均衡，需要在器件的選擇及使用中采取必要的措施。襄博飛宏大采用“工藝控制+恢復電荷測試+串、并聯試驗篩選”的方法為用戶挑選配對器件，經過長期試驗和用戶使用，證明可有效地保證串、并聯器件動態工作參數的一致性。

一． 晶閘管的串聯使用

1．串聯晶閘管工作過程分析

串聯晶閘管工作時，各器件的均壓是我們zui關心的問題。如果將串聯器件的一個工作周期分成五個階段，可包括正向阻斷、開通、通態、反向恢復及反向阻斷階段。在正向及反向阻斷階段，串聯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，器件由斷態向通態過渡，如果器件開通的時間不一致，則后開通的器件在短時間內將承受過電壓。在反向恢復階段，器件由通態向反向阻斷狀態過渡，主電流反向抽取一定量的反向恢復電荷Qrr后，器件恢復反向阻斷能力。如果串聯器件的反向恢復特性不一致，則先恢復的器件將承受過電壓。

根據上述分析，串聯器件的均壓使用主要需解決正反向阻斷、開通及恢復三種狀態下的電壓分配問題。近年來，博飛宏大公司針對晶閘管在不同領域的串并聯應用要求，通過優化設計和工藝控制，大大提高了器件開通及恢復參數的一致性，同時開發了中、低頻晶閘管串并聯試驗設備，對串并聯器件進行進一步篩選。所生產的Y70KKG、Y76KKG、89KKG系列產品已批量串聯使用于2000-6000KW中頻感應加熱電源上。

2．串聯晶閘管器件選擇

從理論上講，晶閘管的串聯使用需選擇阻斷特性、開通特性、恢復特性一致的器件。對臺基公司的器件，采用適當的外部均壓及門*觸發措施后，實際使用中只需對器件的反向恢復特性進行控制即可。

一般認為，選擇反向恢復電荷一致的器件，即可獲得良好的均壓，但實際使用中卻并不*如此。串聯的器件只有在相同的恢復時間內，以相同的速率將各自的恢復電荷取完抽畢后，才能同時完成恢復過程。如圖1，一個完整的恢復特性包括：反向恢復時間trr、反向恢復峰值電流I_RR、恢復電荷Qr、恢復軟度因子等。同時恢復特性又是器件通態電流、電流下降率、溫度等條件的函數。單純根據某一條件下的恢復電荷測試值來挑選器件配對，并不能保證在不同實際應用條件下的可靠性。因此，博飛宏大公司采用的是“工藝控制+恢復電荷測試+串聯試驗篩選”的方法為用戶挑選配對器件。只要用戶在訂貨時注明配對要求，即可得到具有良好串聯性能的器件。圖2為臺基公司串、并聯配對試驗臺。

3．串聯晶閘管器件使用注意事項

3.1 采用穩態和動態均壓措施

為保證器件在阻斷狀態下的電壓均衡,可給每只串聯器件并聯一只均壓電阻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溫下漏電流的2-5倍。

由于器件的開通和恢復過程中可能存在差異，因此采用并聯阻容吸收電路進行動態均壓也是*的。適當參數的吸收電路可將串聯器件的不均衡電壓限制在一定范圍內，如圖3所示。其取值與串聯器件恢復特性及工作條件有關，對于儀元公司的快速晶閘管，一般可選擇：

Cb=0.1-0.4µF, Rb=8-20W

具體數值可由調試決定。需注意，Rb、Cb應選擇無感電阻和無感電容，并用盡量短的線就近聯接在晶閘管兩端。在較高頻率工作時，Rb功耗可能會高達數千瓦，需考慮其功率和散熱問題。

3.2 門極觸發脈沖的要求

晶閘管的開通過程受其門極觸發脈沖影響很大，強觸發脈沖可以減小器件開通時間，促使串聯器件同時開通。同時強觸發脈沖還具有減小器件開通損耗，增強器件di/dt承受能力的作用。因此，給串聯器件施加同步的、前沿極陡的、強度足夠的觸發脈沖是十分必要的。我們建議的觸發脈沖要求為：

觸發電流幅值：I_GM=4-10I_GT，觸發電流上升時間：tr低于1µs，如圖4所示。

3.3 串聯器件的熱平衡要求

這是許多用戶容易忽略的問題，由于器件的阻斷、開通、恢復等特性均隨芯片的溫度變化而變化，因此保證串聯器件在工作過程中的任一狀態及時刻都具有同步的溫度變化，是保證器件可靠均壓的基礎。在有可能的場合，可考慮讓串聯器件共用同一散熱體，以保證器件溫度的一致性。

二． 晶閘管的并聯使用

1．影響并聯器件電流均衡的因素

晶閘管的并聯使用，主要需考慮其通態的均流問題。實際使用中，影響器件均流的主要因素有：

a．并聯晶閘管的開通時間不一致；

b．并聯晶閘管的通態伏安特性不一致；

c．并聯器件主電路配置不合理。

2．并聯晶閘管的選擇

根據上述分析，并聯晶閘管應選擇開通時間和通態伏安特性一致的器件。這里所說的通態伏安特性一致，并不是簡單的指在某一電流點上器件的壓降一致，而是指在器件工作的整個電流范圍內，均具有一致的壓降特性。由于器件實際特性的差異性，我們在給用戶匹配并聯器件時，優選考慮器件在正常工作大電流區段的壓降一致性，以保證用戶使用中器件的可靠性。用戶需要用到并聯器件時，可在訂貨時注明要求，并說明器件實際工作電流，臺基公司會根據用戶的具體情況，測試挑選合適的器件。

3．并聯晶閘管器件使用注意事項

3.1 主電路的合理配置

并聯晶閘管器件使用時要特別注意每一條器件支路的阻抗一致性，如果并聯支路的配置不合理，則電阻、自感、互感的差異酒會導致電流的不均衡，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附近金屬的渦流發熱影響及相與相之間的磁場影響。

3.2門極觸發脈沖的要求

為增強器件開通時間的一致性，與串聯使用一樣，需對門極采用同步強觸發脈沖。要求：

觸發電流幅值：I_GM=4-10I_GT

觸發電流上升時間：tr低于1µs

同時需考慮增加脈沖寬度或采用重復觸發措施。尤其是針對大電流、高阻斷電壓器件，在并聯使用時，器件開通時間的差異以及開通后門檻電壓的不一致，可能會導致并聯的高門檻電壓器件不能開通。適當的增加門極脈沖寬度，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

與晶閘管串聯使用一樣，需考慮并聯器件的溫度平衡問題。

在一些場合，可考慮采用各晶閘管支路串聯電阻、電抗器或采用均流互感器進行強迫均流。

關鍵詞：試驗設備無感電容電抗器

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