淺談功率器件在靜止變頻技術中的應用

關鍵詞：晶閘管;IGBT;靜止變頻

電力電子技術的發展

　　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，各個行業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，靜止變頻設備開始大量使用，特別是在音頻、超音頻領域，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關元件，工藝水平基本上以8KC為上限。到2000 年，國內開始出現采用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。目前國內已出現50KC、100KW 的全固態電源，可以說靜止變頻技術目前國內處于高速發展的階段。

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，主電壓——電流特征至少在一個象限內具有導通、阻斷兩個穩定狀態，且可在這兩個穩定狀態之間進行轉換的半導體器件。我們通常說的晶閘管是其中之一，統稱可控硅（Silicon Controlled Rectifier），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——GateTurn Off Thyristor）和光控晶閘管（LTT——LightTriggered Thristor）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應用的要求，為了解決這個問題，必須采用兩個或更多晶閘管的串、并聯工作方式。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，以保證各個晶閘管可靠工作。

晶閘管的串聯

　　通常使用兩只晶閘管串聯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， 包括靜態均壓與動態均壓。靜態均壓可采用無感電阻串聯分壓的方式解決;動態均壓比較復雜，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，通常在支路上串聯飽和電感或磁環，這樣就構成了如圖所示的電路結構。

晶閘管的并聯

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

　　通常采取的辦法是：1）采用共軛電感，以保證動態均流;2）并聯RC 電路以吸收浪涌電壓;3）盡量選用通態壓降一致的晶閘管并聯工作;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，目前國內已經出現采用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 — Insulated Gate Bipolar Transistor），是80 年代中期發展起來的一種新型復合器件。IGBT 綜合了MOSFET 和GTR 的優點，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動，而IGBT 采用方波驅動。

IGBT 對柵極驅動電路的要求

　　IGBT 的靜態和動態特性與柵極驅動條件密切相關。柵極的正偏壓+VGE、負偏壓-VGE 和柵極電阻RG 的大小，對IGBT 的通態電壓、開關時間、開關損耗，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 產生動態擎住現象，柵極負偏壓應為-5V 或更低一些的電壓，負偏壓的大小對關斷時間損耗的影響不大。

　　此外，柵極驅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，驅動電壓和電流應保持足夠的幅度，保證IGBT 處于飽和狀態。由于IGBT 多用于高電壓、大電流場合，信號控制電路與驅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，為了防止異常現象造成器件損壞，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，實現過熱保護。由于IGBT 具有正溫度系數和良好的并聯工作特性，IGBT 多采用多只元件并聯工作，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展方向。