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    電力電子元件應用指南(2015修訂)

    發布時間:

    2022-02-08 15:55

      一、參數說明
      1、本手冊參數表中所給出的數據,ITSM、I2t、dv/dt、di/dt指的是元件所能滿足的最小值,Qrr、tq、VTM、VTO、rT指元件可滿足(不超過)的最大值。
      2、通態平均電流額定值IT(AV)(IFAV
      IT(AV)(IF(AV))指在雙面冷卻條件下,在規定的散熱器溫度時,允許元件流過的最大正弦半波電流平均值。IT(AV)(IF(AV))對應元件額定有效值IRMS=1.57IT(AV)。實際使用中,若不能保證散熱器溫度低于規定值,或散熱器與元件接觸熱阻遠大于規定值,則元件應降額使用。
      3、晶閘管通態電流上升率di/dt
      參數表中所給的為元件通態電流上升率的臨界重復值。其對應不重復測試值為重復值的2倍以上,在使用過程中,必須保證元件導通期任何時候的電流上升率都不能超過其重復值。
      4、晶閘管使用頻率
      晶閘管可工作的最大頻率由其工作時的電流脈沖寬度tp、關斷時間tq以及從關斷后承受正壓開始至其再次開通的時間tV決定。fmax=1/(tq+tp+tV)。根據工作頻率選取元件時必須保證元件從正向電流過零至開始承受正壓的時間間隔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和反向恢復損耗Epr隨之升高,元件通態電流須降額使用。
      5、關斷時間(tq)
      可控硅在陽極電流減少為0以后,如果馬上就加上正向陽極電壓,即使無門極信號,它也會再次導通,假如在再次加上正向陽極電壓之前使器件承受一定時間的反向偏置電壓,也不會誤導通,這說明可控硅關斷后需要一定的時間恢復其阻斷能力。從電流過0到器件能阻斷重加正向電壓的瞬間為止的最小時間間隔是可控硅的關斷時間tq,由反向恢復時間trr和門極恢復時間構成,普通可控硅的tq約150-200μs,通常能滿足一般工頻下變流器的使用,但在大感性負載的情況下可作一些選擇。在中頻逆轉應用,如中頻裝置、電機車斬波器、變頻調速等情況中使用,一定要對關斷時間參數作選擇,一般快速可控硅(即kk型晶閘管)的關斷時間在10-50μs,其工作頻率可達到1KHz~4 KHz。
      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保證整機設備的可靠性及降低設備成本具有重要意義。元件的選擇要綜合考慮其使用環境、冷卻方式、線路型式、負載性質等因素,在保證所選元件各參數具有裕量的條件下兼顧經濟性。由于電力電子器件的應用領域十分廣泛,具體應用形式多種多樣,下面僅就晶閘管元件在整流電路和單項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域之一。元件選用主要考慮其額定電壓和額定電流。
     ?。?)晶閘管器件的正反向峰值電壓VDRM和VRRM:應為元件實際承受最大峰值電壓UM的2-3倍,即VDRM/RRM=(2-3)UM。各種整流線路對應的UM值見表1。
     ?。?)晶閘管器件的額定通態平均電流IT(AV):晶閘管的IT(AV)值指的是工頻正弦半波平均值,其對應的有效值IRMS=1.57IT(AV)。依照發熱相等的原則,按實際流經器件的電流所產生的功耗小于器件允許最大功耗的原則選取器件,在簡單計算中,可近似按實際電流有效值≤1.57IT(AV)來選擇。為使元件在工作過程中不因過熱損壞,流經元件的實際有效值應在乘以安全系數1.5-2后才能等于1.57IT(AV)。假設整流電路負載平均電流為Id,流經每個器件的電流有效值為KId,則所選器件的額定通態平均電流應為:
      IT(AV)=(1.5-2)=KfbId
      Kfb為計算系數。對于控制角α=0O時,各種整流電路下的Kfb值見表1。選擇元件IT(AV)值還應考慮元件散熱方式。一般情況下風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準冷卻條件下的三分之一。
      表1:整流器件的最大峰值電壓UM及通態平均電流計算系數Kfb

    整流電路

    單相半波

    單項雙半波

    單項橋式

    三相半波

    三相橋式

    帶平衡電抗器的雙反星型

    UM

    U2

    2 U2

    U2

    U2

    U2

    U2

    Kfb
    α=0O

    電阻負載

    1

    0.5

    0.5

    0.374

    0.368

    0.185

    電感負載

    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,單項半波電感負載電路帶續流二極管。
      2、中頻逆變元件的選擇
      一般400Hz以上的工作條件下,應考慮使用KK器件;頻率在4KHz以上時,可考慮使用KA器件。這里主要介紹一下并聯逆變電路中元件的選擇(見圖一)。
     ?。?)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取其實際承受最大正、反向峰值電壓的1.5-2倍。假設逆變器直流輸入電壓為Ud,功率因數為cosψ則:
      VDRM/RRM=πUd  /cosψ
     ?。?)元件的額定通態電流IT(AV)
      考慮到元件在較高頻率下工作時,其開關損耗非常顯著,元件的額定通態電流應按實際流過其有效值I的2-3倍來考慮,即
      IT(AV)=(2-3)I/1.57
      假設逆變器直流輸入電流為Id,則所選器件IT(AV)
      IT(AV)=(2-3)×Id/(1.57 )=(0.9-1.5) × Id
     ?。?)關斷時間tq
      并聯逆變線路中,KK元件的關斷時間選擇要根據觸發引前時間tf和換流時間tr來決定。一般?。?br />   tq=(tf-tr)/(3-4)
      (當功率因數為0.8時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,可通過減小換流時間tr,并適當犧牲功率因數增加tf的方法來選擇具有合適tq值的元件;
      以上簡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,還要根據具體條件選擇元件的門極參數、通態壓降以及斷態電壓臨界上升率dv/dt和通態電流臨界上升率di/dt。
      三、元件的保護
      晶閘管元件的電壓和電流過載能力極差,尤其是耐壓能力,瞬時的過壓就會造成元件永久性的損壞。為了使元件能長期可靠地運行,必須針對過壓和過電流發生的原因采取保護措施。
      1、過壓保護
      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、負載打火等引起的過壓;一種是由于元件關斷時產生的關斷電壓;還有因雷擊等原因從電網侵入的浪涌電壓。為限制過電壓的幅值低于元件的正反向峰值電壓,可采取以下保護措施(見下圖)。
     ?。?)在變壓器一次側接上避雷器,在二次側加裝阻容保護、硒堆、壓敏電阻等非線性電阻元件進行保護。在整流直流側采取壓敏電阻和泄能保護裝置,以防止元件承受過電壓。
     ?。?)在晶閘管陰陽極兩端直接進行保護。晶閘管關斷過程中主電流過零反向后迅速由反向峰值恢復至零電流,此過程可在元件兩端產生達正常工作峰值電壓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取值可根據元件型號及工作情況調試決定。注意保證電阻R的功率,尤其在中頻逆變電路中,使之不會因發熱而損壞。
      2、過流保護
      晶閘管元件在短時間內具有一定的過流能力,但在過流嚴重時,不采取保護措施,就會造成元件損壞。在線路設計和元件選擇時應考慮負載短路和過載情況,確保在異常情況下設備能自動保護。一般有以下幾種措施(見下圖)。
     ?。?)在進線中串接電抗器限制短路電流,使其他保護方式切斷電流前元件短時間內不致損壞;
     ?。?)線路采用過流檢測裝置,由過流信號控制觸發器抑制過流,或接入過流繼電器。
     ?。?)安裝快速熔斷器??焖偃蹟嗥鞯膭幼鲿r間要求在10ms以內,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為元件實際工作電流有效值
      四、晶閘管門極觸發
      參數表中所給晶閘管IGT、VGT為能觸發元件至通態的最小值,實際使用中,晶閘管門極觸發IGT、VGT應遠大于此值。應用中門極觸發電流波形對晶閘管開通時間、開通損耗以及di/dt承受能力,都有較大影響;
      晶閘管的觸發參數與其所處的環境條件有十分密切的關系,門極觸發電壓和觸發電流時在25℃時的測試值,它們一般隨溫度升高而降低,隨溫度的降低而升高,因此在高海拔、低溫環境下工作,用戶需要注意合理運用,保證器件的可靠工作。
      在-40℃條件下,晶閘管的門極觸發電流值會比25℃時增加一倍以上,門極觸發電壓會增加約一倍,因此要保證設備可靠啟動,并增強抗干擾性能,需要足夠強度的門極觸發電流,即采用極陡前沿的強觸發脈沖,同時對提高器件的di/dt性能、減小開通時間和開通損耗具有重要幫助。
      建議使用的門極觸發條件為:
      門極觸發電流幅值IG=10IGT ,(即IG=2~5A,并小于10A)
      門極觸發電流上升時間tr≤1μs,上升率:
      門極觸發電流上升率:di/dt≥2A/µs。
      五、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,風冷和水冷等方式,為了使元件充分地發揮其額定性能并加強使用中的可靠性,除必須科學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滿足數據表中的要求。
      在元件與散熱器的安裝時,應注意以下事項:
      1.散熱器的臺面必須與元件臺面尺寸相匹配,防止壓扁、壓歪損壞器件。
      2.散熱器臺面必須具有較高的平整、光潔度。建議散熱器臺面粗糙度小于或等于1.6μm,平整度小于或等于30μm。安裝時元件臺面與散熱器臺面應保持清潔干凈無油污等臟物。
      3.安裝時要保證元件臺面與散熱器的臺面完全平行、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接觸區域。用戶手工安裝時,必須使用扭矩扳手,對所有緊固螺母交替均勻用力,壓力的大小要達到數據表中的要求。
      4.在重復使用水冷散熱器時,應特別注意檢查其臺面是否光潔、平整,水腔內是否有水垢和堵塞,尤其注意臺面是否出現下陷情況,若出現了上述情況應予以更換。
      5. 特別注意:如果新更換的元件臺面尺寸大于原散熱器上元件臺面尺寸,則必須重新更換新散熱器。重復使用散熱器時,只能選用與原散熱器上元件臺面尺寸一樣或者比其臺面尺寸小的元件。
      在使用中需注意,風冷方式加裝散熱器后,一般要求風速不低于6m/s;水冷方式要求水冷散熱器水流量不小于4×103 ml/min,進水溫度5℃-35℃,水質ρ≤2.5KΩcm。
      本公司可提供SS水冷系列和SF風冷系列以及各類非標及組件散熱器,為元件配套使用。
      根據元件通態額定平均電流推薦配置的標準型散熱器型號見下表。

    元件通態額定平均電流

    推薦散熱器型號

    水冷

    風冷

    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系列風冷散熱器是指在強迫風冷(風速≥6m/s)條件下的推薦配置,用戶在使用時應根據實際散熱條件并考慮可靠性要求進行選擇。對于1000A以上元件一般不推薦使用風冷散熱器,若使用風冷散熱器,則元件額定電流需降額使用。
      用戶未作特別要求時,本公司所提供的成套元件都按標準配置安裝散熱器。

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