电力电子器件与电源

第3章电力电子器件与电源3.1电力电子器件电力电子器件是用于电力变换和开关领域的电子器件。它可按下列不同方式分类：1.按控制方式分●不可控型：整流二极管、快速整流二极管等；●半可控型：普通晶闸管，快速晶闸管，双向晶闸管，逆导晶闸管，光控晶闸管等；●全控型：双极结型晶体管(GTR),门极关断(GTO)晶闸管，电力场效应晶体管(MOSFET),绝缘棚双极型晶体管(IGBT)等。2.按内部芯片结构分●各种晶体管为PNP或NPN方式；●各种品闸管为PNPN结。3.按器件的通断控制方式分●各种晶闷管均为脉冲触发实现导通或关断(GTO),在导通或关断期问无需施加控制脉●各种品体管型电力电子器件均为电平型控制，控制电平存在时导通，控制电平消失时4.按外形结构型式分●螺栓形：整流二极管(300A以下),晶闸管(500A以下);●平板形：可有凹台和凸台两种型式，可与散热器双面接触(双面冷却),用于200A以上的大电流器件；模块封装形：将整流管、晶闸管、IGBT等分立器件按臂对、单相桥式、三相桥式、三相半桥、二相交流开关等整流电路联结方式压制在…个模块内。它具有体积小、重量轻、结构紧凑、连接方便的特点，且总体价格低。标准的模块型器件的电联结方式见表3-1。智能功率模块；将电力电子器件与其驱动电路、保护电路集中压装在一个模块内，且具有与控制系统的低电平信号接口，便于电力电子设备制造厂的整机设计、开发和制造，如三菱公司的IGBT智能功率模块；ABB公司的集成门极换向晶闸管(IGCT)模块。系列电联结型式、j范周MDC,MDA和MDK系列-C第3章电力电子器件与电源229系列电联结型式、Ⅱ范肺+相整流半桥模以MTQ(MFQ)系列晶刚：管单相模块(JB/TG4-。2。。230电气传动自动化技术手册系列电联结梨武i、U范围一：相桥模块(JB/T9923.1.1不可控型器件不可控型器件是指电力电子器件的通断状态由器件承受的电压极性决定，不受任何电信整流二极管(RectifierDiade}整流二极管是最简单的电力电子器件，其伏安特性和图形符号见图3-1,有阳极A和阴极K两个极板。当阳极A的电位高于阴极K的电位时，二极管导通，导通管压降在1~2V以内；当阳极电位低于阴极电位时，二极管呈高阻状态。(或阈值电压U和斜率电阻rp)结壳热阻R₂(C/W)在选用二极管时，要注意各厂家fmAw所相应的允许壳温T。值，同样a)伏安特性h)图形符号第3章电力电子器件与电源231的I值，在T.值不同时，T.值大的器件，其实际工作能力优于T.值小的器件。国内普通整流管的额定反向重复峰值电压(Umw)级数见表3-2,额定值见表3-3,日前国产整流管已可达到6kA/3kV和3kA/6kV。国外普通整流管选择ABB和WESTCODE两家公司4100mm芯片的典型产品作介绍，其主要额定值见表3-4,选用时要注意管壳温度T.值，ABB和国产器件均为70℃,而WESTCODE为55℃。123456789均电流正向方均峰值电压(/nRM/V峰值电压5由制造厂给出由制造厂出制造厂给出注：1.壳温?。必由制遣厂给出。2.Pt为!sx正弦波底宽10ms的积分值。表3-4国外普通整流管额定值快速整流二极管(FastRecoverDiode)快速整流二极管特点是由正向导通转变为反向阻断的时间t较普通流二极管短，其反向恢复波形见图3-2。反向恢复电流i,对时间的积分称为反向恢复电荷Q.,此参数将影响二极管在高频时的应用，并产生换相过电压；Q.的分散性将影响多器件的串联运行，产生反向电压分配不均的与双极型器件和ICBT配合使用，t<50ns的为超快速整流二极管。图3-2二极管反向恢复特性3.1.2半控型器件半控型器件是指只能控制导通，而不能控制关断的器件，木书中即指晶闸管及其派生器普通晶闸管(SCR)是半控型电力电子器件，其伏安特性和图形符号见图3-3,晶闸管有三个极：阳极A、阴极K和门极G,当UA>0g且在G、K极上施加一个Ux>0的正脉冲时，品闸管导通，一旦导通后，只要U。>Ux,晶闸管始终导通，且Ux在1~2V以内；仅当<Uk时才关断，呈高阻状态。反向重复峰值电压Ug通态电流临界上升率di/dt断态电压临界上升率du/dt通态峰值电压y第3章电力电子器件与电源233斜率电阻r₁(m2)f²t(A²·s)反向恢复电荷((μC)普通晶闸管的di/dt分为A~H共8个级别，其值为25～800A/μs,du/dt分为A~J共9个级别，其值为25～2000V/μs。普通晶闸管额定值见表3-5,普通晶闸管特性值见表3-6。日前国内普通晶闸管的额定值已可达4500A/2200V和3000A/5500V。国外普通晶闸管选择ABB和WESTCODE两家公司φ100mm芯片的典型产品作介绍，其主要额定值见表3-7,选用时应注意管壳温度T。值，ABB和国产器件均为70℃,而WESTCODE为55℃。电流流浪涌电流断态峰值电压反向峰值电压断态压反向压工作温度电流临界上升率门极反向峰值电压门极峰值门极紧固5或5 由制给出允差为山制造厂给出 5555 5 5 54561582234电气传动自动化技术手册(续)平均电流流浪涌电流断态!重复峰值电压反向峰值电压断态压反向压工作结温出流临界率门极反向峰值电压门极峰值紧固H53造)”允差为由制造厂给儿5353545454一5454555656作：1.fπav对应的壳温(T)由制造厂给出。2.P;为Irw山弦波底览10ms的积分值。3.工作结混上限(T)称为最高工作结温或额定结温。4.括弧内的电流档次保留使用，但不推荐。表3-6普通晶闹管特性值断态重门极触门极不断态电压结充临界上升电流电流率(du/dt)R54由制造厂给出555由广给出第3章电力电子器件与电源235(续)均电流Uyw/V断态重电流电流门极触发电流门被触门极不断态电压临界上升率(duidr)/(Vljus)由制造厂给出H由制道厂给出5注意：(1)与二极管相同，应注意各厂家元件Inm)额定值所对应的允许壳温，同样的l₇(y器件，允许壳温高的具有更大的实际工作能力，一般选用时应有2.5~3倍的电流裕量；(2)各厂家的通态峰值电压Um有不同的测试电流Ir(av)值，为了正确选用，尽可能按实际工作电流tra值计算其实际的通态压降U₁=Ir×rr+Uw,此参数的大小直接影响器件的结温，其分散性对多器件并联的均流系数影响甚大；(3)门极触发电流为保证该型号在壳温25℃时器件均能导通的最小值，实际选用时应限定器件的Icr值范围。I值过小，易受干扰触发而误导通；Icr值过大，在多器件串并联时易发生不能同时导通，导致串并联器件负载不均；(4)在多器件串联运行时，反向恢复电荷Q值的分散性将使各器件承受不同的反向电压(5)反向重复峰值电压URM是电力电子器件的一个重要指标，其对应的是交流电压的峰值，而不是有效值；此外还应考虑电网电压的正波动值及脉冲毛刺的影响。一般选用时应有交流电压峰值的2.5～3倍裕量。236电气传动自动化枝术手册b)b)快速晶闸管与普通晶闸管有相同的特性，其区别在于其有较短的关断时间t。,du/dt和di/dt值较高。快速晶闸管的t。为10～60μs,普通晶闸管为150～700μs。快速晶闸管可用于工作频率大于400Hz的中、高频电路中。其额定电流、电压值远小于普通晶闸管，在2500~3000A/3000～1600V范围内。选用时应注意，此器件的额定通态平均电流值乃是工频正弦波的测试值，实际工作频率大于工频时，开关损耗增大，其相应的通态电流随之下降，一般在200Hz以下可不考虑，超过200Hz时应根据器件生产厂提供的工作频率与允许通态电流曲线作调整。双向晶闸管主要用于交流电路中，通过控制门极电流的通断，在交流电路中实现高电压、大电流的无触点快速通断，具有寿命长、几乎不要维修的优点。双向晶闸管采用五层三端半导体结构，二端分别称为第一阳极T1、第二阳极T2和公共门极G,其伏安特性和图形符号见图3-4。在交流工作时，必须在每半个周期对门极触发…次，此时T1和T2要承受止反向半波的电压和电流，在一个方向导通结束后，管芯硅片中的载流子还未全部复合，此时加上反向电压，这些剩余载流子可能作为反向工作的触发电流而引起误导通，失去控制能力，所以在使用中对换向电流的临界下降率di/dt要限制在(0.2~1)%Ir(nws)以下。对于电感负载，由于电流滞后电压90°,当电流过零关断的瞬时(几微秒)将承受线路电压的峰值，此时duldt将为每微秒几百伏，故而在应用时，器件的断态电压临界上升率du/dt应与电路电压峰值匹配，一般在20～500V/μs内选用。应该注意，双向晶闸管常用于交流电路中，所以其额定通态电流是以360°导通时的最大交流有效值/raws,表示，而不是反并联的普通晶闸管的半波平均值I(。即标称值为100A的双向晶闸管是由两个45A的普通晶闸管反并联而成的。国外双向晶闸管还有另一种结构，其将两只反并联的大功率晶闸管集成在一个硅片上，但设有两个门极，此时其提供的额定导通电流值为Iravx,如ABB公司的5STB系列器件。逆导晶闸管是将一个普通晶闸管和一个整流二极管反并联组合在一起的器件，因而具有关断时间短、通态电压小、高温特性好、额定结温高等优点。由于没有晶闸管和整流管之间的接线电感，从而降低了晶闸管关断时的峰值电压，其伏安特性和图形符号见图3-5。图3-5逆导晶闸管伏安特性和图形符号此类器件常用于逆变电路、斩波电路中，其晶闸管的通态平均电流Irπw)和二极管通态平光控晶闸管又称光触发晶闸管，利用一定波长的光照信号使晶闸管导通，其伏安特性、图形符号和等效电路见图3-6。光照强度不同，其转折电压Ux亦不同，图光敏二极管，其特点是采用光触发后保证了主电路与控制电路的绝缘性能和抗电磁下扰性能，图3-6光控晶闸管伏安特性、图形符号和等效电路6kV/6kA,t₄为400μs。光控晶闸管的特殊指标是触发光功率，约几到十几毫瓦，光谱响应范随着斩波器和交流传动变频技术的快速发展、PWM技术的广泛应用，迫切需要高电压、大电流、快速通断的全控型电力电子器件，通过控制信号实现开通和关断。控制信号可为电流驱动型和电压驱动型。Transistor),英文又简称POWERBJT。常用的GTR有单管、达林顿管和模块三大系列。电气原理图见图3-7。日前应用最多的是GTR模块。其伏安特性见图3-8,其工.作原理同普通的晶体管，但在电力电子中主要为开关状态工作，-般采用共发射极接法。在20世纪80年代，GTR曾在中小功率斩波器和变频器上有较大应用，但是由于其存在二次击穿和驱动功率较大的缺点，目前已被IGBT和电力MOSFET所取图3-7GTR电气原理图图3-8GTR伏安特性电力晶体管(GTR)额定值和电气特性见表3-8,地区电源电压和GTR的额定电压选择见表3-8电力晶体管(GIR)额定值和电气特性VVVVA第3章电力电子器件与电源239符号(续流二极管电流) A8A一个CTR功耗W℃T:存温度绝缘电压(有效值)V电气(7j25℃)4VV基极-发射极饱和电压V茎1.8V开关时间热特性CTR结-壳热阳续流二极管结-壳热阻使用导热膏脂情况下电源电压日本美国中国和欧洲地区电力MOS场效应晶体管(PowerMOSFET)rMOSFET)为绝缘栅场效应管类型，输入阻抗为纯容性，采用电压驱动方式，因而具有驱动功率小、开关速度快(10～100ns)、工作频率高、安全工作区宽等优点，其缺点是电流小、耐压240电气传动自动化技术手册消源电压消源电压脉冲总耗散功率绝缘电压(有效值)G符号TAW℃℃VVVΩVS$±0.电(特性CCVVAMOSFET为三端器件，其工作特性和图形符号见图3-9。D为漏极、S为源极、G为栅极。结构上分为N沟道和P沟道两种类型。若D和S分别接电源正负极时，当Us=0时Io=0;Ucg>U₁(开启电压)时I>0;U越大，I越大。图3-9电力场效应晶体管工作特性和图形符号电力MOSFET最大额定值和电气特性见表3-10。表3-10电力MOSFET最大额定值和电气特性(续)电飞特性m开通延迟时间上.升时间a关断延退时间t下降时Vt反响恢复时问结壳热队极雪绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBiplorTransistor——IGBT)的结构相当丁…个由MOSFET驱动的GTR,因而它既有MOSFET输入电阻高、开关速度快、热稳定性能好、驱动电路简单和驱动功率小的优点；也有GTR通态电压低、高压大电流的优点，适用于变频器、开关电源等工业领域，是…种理想的电力电子器件。GBT的简化等效电路和图形符号见图3-10。图3-10a中的NPN和R,为寄生品体管及其体区短路电阻。它是…个三端的场控器件：有栅极G(又称门极)、集电极C(又称漏极D)、发IGBT一般为15～400A、400～1200V器件、硬开关频率达20kHz,软开关频率达100kHz。H前高耐压、大电流的司),因而其不仪逐步取代GTR和电力部分应用领域。IGBT简化等效电路和图形符号示的六合一或图3-11b所示的七介·封装；图3-llc所示的两合一应用最多；图3-101200V/400A以]:为图3-11d所示的结构；图3-1le、F所示的带续流二极管结构适用于斩波电路。(1)ICBT静态特性图3-12为N-IGBT的静态特性。1)IGBT的伏安特性见图3-12a,与CTR基本相似，但其控制参数是Uc电压，而GTR控制参数为基极电流。输出电流I山U控制：U越大，1越大；2)图3-12b为饱和电压特性，IGBT的电流密度较大，通态电压Uu的温度系数在小电流时为负，大电流时为正，其值约为1.4倍/100℃,通态饱和压降[/cg(a为2~4V;242电气传动自动化技术手册NNb)本a)六合一b)七合一c)调合--d)--单元a)伏安特性b)饱和电压特性c)转移特性d)开关特性3)图3-12c为转移特性，与电力MOSFET相间，当Uσ小于开启电压Ur时，IGBT呈关断状态；当U略大于U,时，1.与为非线性关系；U大于Ur后的大部分范围内，1.与U为线性关系。Uc的最大值由1允许的最大值Icw限定，一般Uce的最佳值为15V以上；即关断(off),仅有很小的漏电流存在。(2)IGBT动态特性图3-13为IGBT的动态特性，图3-13a为开通时的电流、电压波形；图3-13b为关断时的电流、电压波形。由图可见，电压Um(t)的下降/1.升过程比电流ig(t)的上升/下降要延迟一段时间，这是山其内部MOSFEF和PNP器件控制关系而出现的现象，在此不作详细分析：图3-13IGBT的动态特性在实际应用中，以集电极电流f的动态波形来确定IGBT的开关时间。tc.的开通时间t由图3-13a中的开通延迟时间t.;和电流1:升时间tn组成，t也就是器件特性参数的工升时间t1的关断时间tm由存储时间和下降时间组成，存储时间由图3-13b中的tuam和t组成，IGBT的开通时间ta、上升时间t,、关断时间tm和下降时间tg在集电极电流和栅极电阻增加时都要增加，后者影响更大：(3)擎住效应1)静态擎住现象：山图3-10a所示的IGBT简化等效电路可见，IGBT存在一个寄生晶闸管，曲PNP和寄生NPN两个品体管组成。当集电极电流足够大时，在R。上产生的正偏将导致寄生NPN品体管导通、使寄生晶闸管开通，栅极失去挖制，PNP处于饱和状态，I,迅速增大超过器件规定的Icw值，使器件损坏、此现象称为静态擎住效应；2)动态擎住现象：在关断过程中，MOSFET迅速关断，IGBT总电流也很快减小为零U迅速上升，此dug/dt将产生一个空穴电流，它流过Ru时也会使寄生晶闸管形成擎住现象，导致器件损坏。它由dug/dt、1cw以及结温T;所定。发生动态肇住现象时所允许的Icm值小于静态擎住现象的/cm,厂商提供的I相应于动态的!cm;3)为避免擎住现象，设计电路时应保证运行电流不超过ICBT的Icw值；或加大栅极电阳R,以延长ICBT的关断时间，减小duc/dx;此外，器件温升过高，也会产生筚住效应，在应用中应予以注意。(4)安全工作区在开通和关断时，IGBT均有较宽的安全工作区：开通时称为正向偏置安全工作区，简称FBSOA,见图3-14a,FBSOA与IGBT的导通时间密切相关，因为导通时间越长，发热越严重，因而其Ic越小。关断时称为反向偏置工作安全区，简称RBSOA,见图3-14b,其与关断时的电压上升率dug/dt有关。,duc/dt越大，允许f越小，因为过大的dug/dt会使IGBT导通，产生擎住效应，可通过选择U和栅极驱动电阻抵制duc/dt值。图3-14安全工作怵IGBT的额定值见表3-11,IGBT的电气特性见表3-12。表3-11IGBT的额定值符号V阻断电压栅极-发射敬电压VlAAA最大允许的峰值FWD电流(7;≤AW℃无电源供应下的允许温度第3章电力电子器件与电源245符号与模块端子问最大绝缘电压(ACVF端子-固定螺栓间最大允许扭矩表3-12IGBT的电气特性符号 阈值电压fg=10~4x额定集电极电淮利E6V条件下1cy(C极-栅极间的电容与栅极-发射极间的电容之和地容之和电极-栅极间电容 e、Uce=15V条件下的栅极电荷开通延迟时间开通上升时间电阻负载、额定条件下的开关时间Vt关断延迟时间关断下降时间FWDl问电压FWD反向恢复时间的反向恢复时间FWJ)反间欧复电荷瓶定电流和规定di/di条件下，续流二极管的反向恢复电荷(续)符号的热肌;说明使用导热膏脂的情况下)件，其图形符号见图3-15a。当门极加正脉冲时导通，门极加负脉冲时关断，从而实现了全控。与其他金控型器件相比，其优点是器件的耐压高、电流大、耐浪涌能力强，单个器件可达6000A/6000V或10000A/9000V;其开通时间和关断时间较品闸管短，因而可作为大功率变频器的开关器件，H前多应用在电力机车及大型轧机上。其主要缺点是关断时的门极电流很大必须是0.2～0.33倍的阳极电流，因而控制电路复杂、控制功率极大，且对驱动回路、吸收回路的杂散电感特别敏感，给设计、制造、应用带来很大的困难，限制了其推广应用。其静态特性参数与品闸管相类同，但反向重复峰值电压Umw仅为几十伏，故必须与大容量快速二极管反并联后用于电路中。其开关电压、电流及门极电流波形见图3-15h。图3-15b)GTO晶闸管开关电压、电流及门极电流波形和图形符号过电流、过热等故障检测电路集成在一起，只要保护电路动作，即使有控制信号输入，器件第3章电力电子器件与电源247也不能动作；排除故障后需复位才能工作，故而具有体积小、不易损坏、产品设计简单的优三菱电机公司生产的PM系列产品有第三代和V系列两种，其功率开关器件均采用IGBT。菱电机公司IPM模块的额定值见表3-13.三菱电机公司IPM模块的电气特性见表3-14。逆变部分符号供电电!Y供电电压(峰值)yc控制输入信母关断时集电极到发射极的VA(峰值)AW工作时，IGBT结温允许范围℃制动部分挖制部分总系统一V电流AV故障输出V故障输出脚(FO)和地之间最大允许电Hv受OC/SC保护时的供电电压VT:存温度不加电压或电流时的允许结壳温度℃端了外部短路)之间最大绝缘电压〔AC、V248电气传动自动化技术手册符号参数逆变和制动部分饱和电片的通态电压(T,=125℃)vV[开通时间在规定条件下，感性负载时的开关时间FWI)反向恢复时间开通过渡时间关断时间关断过渡时间集电极-发射极控制部外n开关运行时控制电路供电电允许范围V电路电流一A5A℃过电流延迟时间时间温度℃V电压动作数值电压复位数值V故障输出脚的故障输出脚的出故障时，故障输出脚的电流故障输出脚的脉冲宽度SXR端了V热阻R(ICRT-FWD对)的外壳和散热片之问的最大热阴3.1.5集成门极换向晶闸管(IGCT)电力电子器件，最早出瑞士ABB公司开发并投入市场，使特大功率的变流装置在容量、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面取得了成功的突破。如节所述，GTO晶闸管具有耐压高、电流大、耐浪涌能力强等优点，但是其控制关断的技术难度其大、门极回路对杂散电感特别敏感、工作可靠性低，使其难以推广。IGCT是将门极换向品闸管GCT(改进结构的GTO)、反并联二极管和极低电感的门极驱动器集成起来，使其在导通期问是一个与晶阐管一样的正反馈开关，因而具有通电电流大、开通损耗低和高阻断电压下通态压降低的特点；在关断阶段，它只需1μs左右的时间即可使门极电流达到最大关断电流Iwqy,在阳极电压上升前，阳极电流已降为零，即具有与品体管模式此外，它无需吸收电路；响应快(延时时间tg=2～3μs,存储时间降到1ps),特别有利于器件的串联应用工况；平板压接工艺提高了可靠性，工作频率范围可达几百赫到几十下赫，与IGBT的开关速度相近；不需外接续流二极管，简化装置结构；内部已集成的门极驱动电路，可保证在最低成本和敏低能耗条件下达到最佳运行特性；管芯面积可达130cm²(φ100mm),硅片利用率大大高于IGBT。综上所述，IGCT具有耐压高、电流大、开关速度高、可靠性高、损耗低、结构紧凑和成品率高等一系列优点，是一种理想的功率开关器件，它在中压调速传动、高动态轧钢传动、大功率电化学变流器和铁路牵引、高压直流输电、有源滤波器、无功补偿装置等领域具有极好的推广应用前景。(1)断态重复峰值电压Unm;阻断时，在额定结温和允许的最大正向漏电流条件下的正向重复峰值电压(V):(2)中间电压U(Ua-iat):最高直流电压(V)。(3)反向重复峰值电压Umw(V)。(4)最大不重复关断电流Tem:在Um电压下，最大不重复关断电流(A)。(5)品闸管/二极管的F向通态平均电流Irvu/Ig:壳温85℃时的最大正向通态平均电(6))晶闸管/二二极管的通态压降Ur/U,:在Trm和T;m条件下的正向压降(V)。(7)晶闸管/二极管的通态阈值电压Um/Um:在T;m条件下晶闸管/二极管的通态阈值电(8)晶闸管/二极管的斜率电阻r-/r₂:在Tm条件下，品闸管/二极管的斜率电阻(mΩ)。(9)最高结温T;m(T)m):在额定工作电流下不失效的最高PN结温度(℃)。(10)热阻R:ICCT结-壳之间的热阻(K/AW)。(11)最大电流上升率di/dt(max):在U条件下，IGCT上二极管关断时开始恢复反向所允许的最大电流上升率(A/us)(12)反向峰值恢复电流I:IGCT上二极管的反向峰值恢复电流(A)。(13)门极允诈输人的交流方波电压幅值Uav(V)(14)门极触发电流1:使IGCT导通的最小门极触发电流(A)。表3-15为非对称型ICCT的额定电参数，表3-16是为电流源逆变器优化设计的反向阻断型表3-15非对称型IGCT的额定电参数型号VRFYVAAVV℃V232表3-16反向阻断型IGCT的额定电参数型号VVVAAVVA℃V8表3-17带有续流二极管的逆导型IGCT的额定电参数型号tUVVAAVVA℃V‘续流…极管部分695533336.42第3章电力电子器件与电源251IGCT的基本特性是由GCT和二极管各自的特性所决定，主要是它们的开关特性、直流阻断能力、高频突发脉冲能力等。1.IGCT的开关特性图3-16a为由两个逆导ICCT构成的无吸收半桥的IGCT测试电路，图=400A(IGCT1开通前)。图3-16b为IGCT1的开关波形。由图可见，开通时间和关断时间极短，约5~6μs即可完成，开关损耗可以忽略不计。所以其可在低通态/低频到高通态/高频的很大范围内应用。a)测试电路h)开关波形2.二极管的关断特性图3-17是5SGXO6F6004单片续流二极管在di/dt(max)条件下无吸收电路关断时的波形，所用器件与图3-16相同，电路条件为/=17pH、Ua=3300V、T,=115℃、I₀=520A(二极管关断前)。通常负载的1.远大于L,则在出现反向恢复峰值电流1,时，二极管将承受全额的直流中间电压，若1,过大，则二极管在关断期间的最高功率密度将超过其极限值，导致二极管动态雪崩击穿，因此必需注意控制二极管关断前的正向电流和3.高频高幅值脉冲CTO品闸管在关断时，出于电流的再分布和发射区的电流集中，导致温度分布的不均匀(也引起开通的不均匀),进而迅关断所需的最小时间间隔基本上取决于结温恢复均匀所需的时间，也因此限制了GTO晶闸管的高频高幅值的工作能力。而IGCT在关断时有很均匀的开关性能，其发热均匀地分布于整个器件，即除了实际结温外，没有其他的热指标。图3-18为b/us加热脉宽与结壳热阻Rj的关系出线。由图可见，因此高幅值窄脉冲并不会产生额外的温升，这种优秀的高频高幅特性是控制复杂逆变器的非252电气传动自动化技术手册常重要的指标，用以实现负载交互控制和故障控制。图3-18加热脉宽与结壳热阻R的关系曲线图3-19IGCT通态特性4.通态特性IGCT的在高电流密度和高阻断电压下仍有低的通态电压(仅次于晶闸管),图3-19为其通态特性。5.直流阻断能力设计IGCT的日的是用于工业应用中，一般不使其持续工作于于过直流电压下，如使其承受持续过直流电压(例如110%过电压10s),则将使其额定关断电流降低一IGCT与GTO晶闸管、表3-18列出了ICCT与GTO晶闸管和ICBT的性能比较。IGCT具有品闸管GTO和IGBT的所有优点。表3-18IGCT与GTO晶闸管和IGBT的性能比较高频开关集成门极驱动高频开关开关损耗和通态损耗最低高电压，大电流严重失效保护适用于低压串联和并联连接的系统高电压、大电流严币失效保护结构紧凑结构紧凑至其他相第3章电力电子器件与电源253缺点开关频率低门极控制复杂高压时损耗高用于牵引时可靠性不确定结构成本和门极驱动电路成本高①以有源逆变器的桥臂为例.表3-19对二种3300V器件的特性作比较，出于IGCT无3000V以下的低压器件，而IGBT无3000V以上的器件，所以只将这一种器件作一比较，即便如此，IGCT仍占明显的优势。表3-19三种器件的特性比较GTO晶闸管自身限制(=ftp))外部限制(电抗器)有外部限制(电抗器)无du/dt吸收电路无di/dr吸收电路无有有开关芯片一极管芯片单片单片单片单片芯片封装表3-20将二种器件在3MVA、600Hz大功率逆变器中的性能作比较，由表可见仍是IGCT表3-20三种器件在大功率逆变器中的性能比较可蔡性(FIT)IEGT是11本东芝公司开发的新型电力电子器件，它综合了IGBT的电压驱动、控制功率小、安全工作区宽、开关损耗小及GTO晶闸管的输出功率大、通态压降低、阳-阴极间载流子密度高等优点；克服了IGBT饱和压降高、发射极载流子密度低及GTO品闸管安全工作区窄、电流驱动功率大、开关损耗大的缺点，因而在高开关频率工况应用中，具有明显的优势。目前IEGT的容量已达到IGBT的水平，可在变频调速装置中得到应用。IECT芯片的特点是：在沟槽型IGBT的基础上，把部分沟道与P基区相连，使发射区注入增强，导致基区内载流子浓度大大提高，从而使器件的通态压降减小。其基本结构及图形符号见图3-20。由图可见，它是一个三端器件，分别为集电极C、发射极E和门极G。其等效电路与ICBT类似，仅多了一个续流IEGT的开关特性IEGT的开通特性见图3-21a,当外加门极控制信号由0V跃变为+15V时，对门-射极间分布电容Ccm充电，门-射极的驱动电压Uce经过一段延时txo)后，由-15V上升到：]-射极开通电压Uy,1缓慢1:升；在此阶段中，出于位移电流的影响Ucet快速上升到+15V,1.快速上升到最大值，此后Um电压迅速下降到通态饱和电压Ucet,Ic达到稳态值，IECT完成开IEGT按封装形式可分为平板型和模块型，按内部工艺结构可分为平面型和刻槽型。刻槽工艺IEGT的饱和压降比平面型要图3-20IEGT结构及图形符号IEGT的关断特性见图3-21b,当外加门极控制信号由15V跃变为0V时，门-射极间分布电容C放电，门-射极的驱动电压Uce经过一段延时tum后，由+15V下降到门-射极关断电压Um,此后Un缓慢上升，由于位移电流的影响，Ie和Um基木不变；随着U增加，Cc影响迅速减小，U由Uckan快速下降到-15V,Ua迅速上升到最大值，l快速下降IEGT的主要技术参数(1)集-射极最大额定电压Urs:门-射极短路时的最大集-射极直流电压。(2)门-射极最大额定电压Uc:集-射极短路时的最大门-射极直流电压，一般选|Ucesl<(3)集-射极通态电压Ucrim::当U、1,和壳温均为额定值时的通态压降。(4)门-射极关断电压Ucem:在最低的Ucg条件下，不使IEGT导通的电压。(5)正向电压U₁:门-射极短路时，IEGT内部续流二极管通过正向额定电流的的正向压(6)集电极电流I:在额定结温下，集电极可连续工作而不损坏TEGT的最大直流电流。(7)集电极峰值电流I:在额定结温下，IECT允许通过脉宽为1ms的集电极脉冲峰值电(8)内部集成的续流二极管正向电流I;:在额定结温下，续流二极管允许通过的最大正(9)内部集成的续流二极管的正向峰值电流Iw:续流二极管允许通过脉宽为1ms的最大正向脉冲峰值电流。号a)图3-21IEGT的开关特性(10)门极漏电流Icss:Uce=±20V,Uce=0V时的门极漏电流。(11)集电极截止电流Ie:Um=OV,Uce=Uc时的Ic。(12)内部集成的续流二极管反向恢复电流I,:内部集成的续流二极管在反向恢复过程中(13)开关时问测试条件：U=0.6Ucs,I为额定电流，UcE=±15V,门极串联电阻R=10Q,漏电上升时间t,:集电极电流由10%I升到90%J;的时间。开通时间tm:由Ug=+1.5V到集电极电流升到90%I的时间。下降时间t:集电极电流由90%I降到10%Ic的时间。关断时间t:出U=+14.5V到集电极电流降到10%Ic的时间。(14)开关损耗256电气传动自动化技术手册开通损耗F;Um由负到正额定值、集电极电流由零上升到额定值的全过程中的损耗。关断损耗Em:IEGT关断过程中的损耗。反向恢复损耗E:IEGT内部集成的续流二极管在反向恢复过程中的损耗。(15)反向恢复时间t:见图3-22。(16)集电极功耗Pc:环境温度为25℃时，集电极允(17)输入电容C:门-射极短路时，集-射极间的分(18)正向安全工作区(FBSOA):门-射极正偏时，由集-射极坡高允许电压和允许的最大Ic所限定的区域。(19)反向安全工作区(RBSOA);门-射极反偏时，由集-射极最高允许电压和允许的最大I:所限定的区域。Rmca、dildt、du/dt等参数与电力电子器件常规规定一致。图3-22续流二极管的反向表3-21和表3-22为山本东芝公司生产的ST1500GXH21型IEGT的最大额定值参数和电特V门-射极电压VAAWC贮存温度范闹C安装压力最大俏门极满电流1-射极截止电医Vy 第3章电力电子器件与电源257升时问开通时间S开关时间下降时间关断时间sí:问电压V反向恢复时问」FJIEGT与IGBT、GTO晶闸管的性能比较见表3-23.门极驱动参数825较低(约5V}低(2～4V)高(5～7V)斯关断时间高高低战本单元器件数7图3-23为IFCT和GTO晶闸管的安全工作区的比较，由图可见，EGT的安全工作区比GTO晶闸管大得多。图3-24为IEGT、ICBT和GTO晶闸管可应用的开关频率及单个容量示图。由此两图可见，IEGT其有大容量和高开关频率的优点，十分适合高压、大电流的应用场合。图3-25为三者应用范围的比较。型逆变器和速调管阳极调制器等电力电子设备图3-24IEGT、IGBT和GTO晶闸管可应用的开关频率及单个容量示图图3-25IEGT、IGBT和CTO品闸管可应用的工作电压、电流范围的比较图3.2移相控制移相控制技术主要用于各种晶闸管的控制触发。如前所述，晶闸管仅在其阳极电压为正l门极加上正电压信号时才能触发导通；控制触发信号相位即可控制其输出的电压大小，故称为移相控制。3.2.1对晶闸管移相触发器的技术要求1.触发电压信号触发电压信号可以是交流、直流、脉冲或脉冲列，为了减少门极损耗通常采用脉冲方式，日前更多的是采用脉冲列方式，这样不仪可以进一步减少门极损耗，而且可以缩小脉冲变压器的体积，其调制频率在10～100kHz。2.触发脉冲的宽度在晶闸管阳极电流达到擎住电流1,之前，应始终存在触发电流，以保证晶闸管可靠导通，这是必须保证的最小脉宽。脉宽与负载性质和主电路结构类型密切相关：单相电路电阻性负载时，脉宽应大于20μs;感性负载时，应大于100μs,通常在1ms以上；三相整流电路，由于每60°存在一次换相过程，所以要求单脉冲宽度为78°~110°;双脉冲触发脉冲宽度为18°~58°,阻性负载取小值，感性负载取大值。3.触发脉冲的功率由于品闸管特性有较大的分散性，且受温度影响较大，一般来说应保证其电压、电流幅值不小于器件样本规定的，而不是器件实际的门极触发电压Uμ和门极触发电流/crc在实际应用中，触发电压、电流还要有足够裕量，但不能超过其极限值：Vcn<10V,4.强触发在多个器件串、并联电路中，为保证申、并联器件能同时导通，要求触发脉冲具有强触发特性，见图3-26,前沿上升率为0.8~]A/μs,峰值Ik为该批器件I#的5倍以上，平顶部分Ig为器件样本中规定的Im值。5.同步触发脉冲与主电路电源电压应保持某种固定的相位关系，以保证变流装置的输出特性和可靠性。图3-26强触发特性第3章电力电子器件与电源2596.移相范围这与主电路结构类型、负载性质及变流装置用途有关。单相可控电路、阻性负载时要求0～180°;三相半波电路、电阻性负载时要求0~150°;三相桥式全控整流电路、电阻性负载时要求0～120°;三相全控桥工作于感性负载整流或逆变状态时，要求0°-3.2.2常用的晶闸管移相触发集成电路H前品闸管电控装置多采用全数宁控制技术，其触发电路均应满足1:节的要求，全数字控制装置中触发电路的工作原理、设计、制造及调试技术在本书第6、7、14章中作详细说明本节不作介绍。于国内采用模拟量控制技术的晶闸管变流器尚有相当的数量，为此将常用的移相触发器集成电路作一简单介绍：1.KJ004(KCO4)KJ004是日前园内晶闸管控制系统中广泛使用的单相移相集成电路，可输出两路相位差180°的移相脉冲，止负半波脉冲相位均衡性好，对同步电压波动要求低，可实现脉冲列调制输出。其主要技术参数为最大负载能力：100mA。图3-27a为引脚排列图，图3-27b为原理图，图3-27c为各引脚波形(图中U₀指引脚8的电压，余同)。引脚8与同步电源之间的串联电阻用于限制同步输入电流，最大值为6mA。采用标准双列直插式(DIP-16)封装。2.TCA785TCA785是德国西门子公司的晶闸管单相移相触发器集成电路，可输出两路相位差180的移相脉冲，出于其对同步电源零点识别可靠、准确，所以其脉冲的对称度及移相范围均优于KJ004,且输出脉宽可达到180°,既可用于品闸管，也可用于晶体管。采用标准DIP-16双列直插式。图3-28a为TCA785的引脚排列，图3-28b为应用原理图，图3-28c为波形。其主要技术参数为工作电源电压：Us=+8~+18V或(±0~9)V;高电平脉冲负载电流：400mA;低电平最大允许灌电流：250mA;工作温度T:军品为-55～+125℃;工业品为-55～+85℃;民品为0~+70℃。3.KC168它是智能单相数宁触发器，可取代KJ004～KJ010、KC04～KC08、TCA785作为晶闸管的移相触发器。与KJ、KC器件相比，它具有功耗低、功能强、输入阻抗高、抗十扰性能好、移相范围宽、外接元件少、全数字控制及精度高的优点。此外，它还具有调制式脉冲输出及独立封锁端的特点。KC168为标准双列直插(DIP-18)封装形式。其主要技术参数为.工作电源电压；5(1±10%)V;输人移相电压Ug:0～5V;同步信号：高电平5V,低电平0V;260电气传动自动化技术手册晶体振荡器频率CIK:8～16MHz;各引脚允许灌、拉电流：20mA;图3-29a为其引脚排列图(引脚向下),图3-29b为其用于晶闸管整流系统中的原理图，图3-29c为各引脚的工作波形。图3-27KJ004引脚排列及应用原理图a)图3-28TCA785引脚排列及应用原理图NC|NC|ikNcNc[8NC9NHIBTb)图3-29KC168引脚排列及应用原理图3.2.3触发脉冲的功率放大电路全数字控制技术或上述移相触发器集成电路形成的移相控制触发脉冲，其输出的电流及2.场效应品体管功率放大电路在中小功率晶闸管整流电路中可以采用，也仪可用于单场效应晶体管是采用电压控制的开关，在大功率整流器使用场合，由于高电压、大电流而开关品体管是采用电流控制开关，尽管干扰脉冲电压很高，但是能量小，难以促使开关晶通。为此，可采用高电压、高频达林顿管功率放大方式，脉冲功率放4.U2003U2003集成电路功放电路的引脚图见图3-30c,其功率放大的典型电路见图3-第3章电力电子器件与电源263脉冲功率放大电路30d。应该注意，因集成电路本身功耗限制，此集成电路仅适用于调制频率高于50kHz双窄脉冲的调制脉冲列的功率放大，Ⅱ功率放大电源电压小于18V。5.功放电路的抗干扰措施为了提高抗下扰性能，在功率放大电路中，可通过R3加入负偏压，在无脉冲时，晶体管V2的基极为负电平；输入脉冲进入功率放大前经一个稳压管VS,反向抵制正千扰电平，此外，由电阻R5、R6、R7、VD和电容C组成一个强触发形成环节，T为触发脉冲隔离所需的脉冲变压器，见图3-30e,将在下节说明。3.2.4触发脉冲的隔离经过功率放大后的触发脉冲仍不能直接与晶闸管连接，因为整流电路中晶闸管的阴极电位多为几百伏以上的高电位；H各桥臂的阴极电位各不相同；而功率放大后的触发脉冲均为264电气传动自动化技木手册同电位的低电平脉冲，为此，必须将功率放大脉冲经过电位隔离后连到晶闸管的门-阴极上。一般采用脉冲变压器或光缆进行隔离。这是目前品闸管变流器中应用最广泛的隔离方式。脉冲变压器通常是置于功率放大脉冲与品刚管之间，见图3-31。1.脉冲变压器的铁心口前多采用高性能铁锰锌磁环或磁罐.可降低漏感，提高脉冲前沿陡度，山于后者的磁路闭合，所以其抗干扰性能较前者好；2.采用脉冲列方式触发脉冲应尽可能采用脉冲列方式，其调制频率越高，则绕纽匝数越少，脉冲变压器体积越小，功耗低，便于安装；3.绝缘强度在高电压整流器中使用的脉冲变压器，一、二次绕组之间应有足够的绝缘强度。为了提度的塑料盒安装，其绝缘强度可达10kV以J:;4.封装为了避免受潮和振动的影响，可将脉冲变压器用弹性的水玻璃胶封装；5.去磁电路考虑到脉冲变压器的去磁过程、其一次侧应并联一个二极管和小电阻的串联支路，以免脉冲变压器饱和；6.消除负脉冲电路为了消除触发脉冲中的负电平，脉冲变压器二次侧设两个二极管VD1、VD2,以免负信号进入品削管门极；7.抗干扰电路为了提高抗干扰能力，二次侧应并联一个0.03～0.1μF的电容C₁(调制频率愈高，电容量愈小)和一个几百欧的电阻K₃。在超高电压(如直流输电),超高功率强电磁场的工况中，受脉冲变压器绝缘强度和抗干扰性能的限制，采用光缆实现光隔离。山于光脉冲信号不受电磁波十扰，且具有足够的电气绝缘能力，所以是一种理想的隔离方式。低电位的触发脉冲通过编码处理后由光电发生器转变为一系列光脉冲信号，对于大功率光控品闸管，可将其本身所配置的光缆与光电发生器相连，光控晶闸管已装有发光二极管或半导体激光器，从而触发光控品削管工作。但光控晶闸管价格昂贵，在一般场合难以采用，为此在高电压品闸管电路中采用。对于大功率普通晶闸管，每个晶闸臂侧的脉冲功率放大板上：配置光电接收器和-根光缆，光缆一端与光发生器相连，另一端与光电接收器相连、该接收器将光脉冲通过光耦合器转化为电脉冲信号，经过开关品体管放大后触发品闸管导通。其原理框图见图3-32。应该注意，每个品闸管的功率放大电源均需通过独立的功率放大电源变压器或互感器隔离后供电，功率放大电源变压器或互感器的一、二次侧的绝缘强度由该晶闸管的最高电位决定。这种方式在高电压、大电流的超强电磁辐射场合应用是最合理的。由于采用大功率普通晶闸管，所以性能价格比优于光控品闸管。在高电压电路中，每个桥臂为多晶闸管串联，如果由于某种原因导致某个品闸管未被触发导通，则该品削管将承受过电压，若不采取措施，它将被击穿，从而恶化其他品闸管的工作条件，为此要加入转折二极管(BOD)应急触发保护电路，再次强制触发该晶闸管。耦合全数空挑制系统编码图3-32相控品闸管光电隔离原理框图本节所闸述的整流电源是指将交流电压转换为直流电压的变流器，用于电解电源、励磁电源等直流供电装置，并不是电气传动领域中用于电动机控制的整流电源(将在本|B其他章节中详细阐述)..常用整流电源线路及有关计算系数见表3-24。表中的整流器件可为晶闸管或极管，对于二极管不存在移相控制的计算，其输出的直流电压为理想空载电压，根据输出的直流电压电流和动静态指标合理选用线路。随着晶间管的迅猛发展，单相半控桥、二相半控桥已极少应用，本手册略。表3-24常用整流电源线路及有关计算系数线路图阀侧线电流计网侧相电流计算系数!电感折电队析整流线大滞后时间导通角应川范围K]P211211l]2l]3小容量传阿极广d226电抗器11电源266电气传动自动化技术手班(续)慌压降网侧相电流计!电感折电阻折整流线大滞后时间P输出波数P导通角虎用时相逆22注：线路图如下所示；b)3.3.2常用整流电源线路计算公式整流电源中晶闹管/二极管参数、输出直流电压Ua、电流I₄与变压器一、二次电压、电流的计算公式如下：1.直流输出电压1₄假定整流回路电感足够大；忽略变压器及线路电阻时式中U₁——变流器输出电压平均值(V);K₁x——整流电压讨算系数(见表3-24);h——电网电压负波动系数，般为0.90～0.95;ami——最小触发延迟角，对于晶阐管不可逆系统，am取5°~10°;对于可逆系统，取第3章电力电子器件与电源267Kx-——换相电抗压降计算系数(见表3-24)e——变压器阻抗电压百分值；1m/ts——直流电流的过载倍数；Uu——变压器二次相电压额定值(V);n——桥臂元件串联数；(w—整流器件正向导通压降(V)2.臂电流的平均值lgw由于整流器件规定的额定平均电流值是指单相正弦半波电流时所允许通过的正向电流平均值，而器件的额定值实际上是取决于器件发热的有效值。对于不同整流线路，器件的导通波形并不一定是正弦半波，可能是60°~180°,所以其相应的有效值要按表3-24中的整流器件电流计算系数Kπ予以折算：式中Kπ——整流器件电流计算系数(见表3-24);1——直流输出电流(A),由于整流器件的热容量小，通常为运行时间达lmin以上的直流电流值(例允诈过载1min的电流),而不是装置的额定电流值。3.整流器件承受的最大重复反向电压值Umw式中b,——电网电压正波动系数，-·般为1.05～1.10;Kr~—整流器件电压计算系数(见表3-24);-一变压器一.次侧相电压额定值(V):4.变压器阀侧(二次侧)相电流I式中K——变压器阀侧线电流计算系数(见表3-24)。5.变压器网侧(一次侧)相电流I此值与变压器接法无关。式中K——变压器电压比，K=U/li;Um——一次相电压(V);U——二次相电压(V)。3.4大电流整流电源本章阐述的大电流整流电源是指单台整流器输出的电流在10kA～儿十下安的用于电解工艺设备的整流电源。由于电流大，在设计制造时要涉及下列技术问题。1,整流效率在大电流整流器的技术指标中，除了额定电流和额定电压这个基本参数以外，整流效率是最重要的技术指标。因为大电流整流器是一种高能耗的用电设备，整流效率提高0.1%的节电量可达到上千万千瓦·时，年直接经济效益可达几百万到儿千万元。设计制造部门必须仔细地计算每一个元件、部件、连接母排和每个接触而接触电阻的功率损耗，采取各种措施以求得到最作的整流效率，通常采取以下措施：268电气传动自动化技术手册(1)根据额定电压选择合理的整流线路；(2)选用导通管压降低的整流器件；(3)选用大直径的整流器件，减少器件并联数，提高均流系数；(4)同相逆并联技术；(5)提高稳流精度.采用晶闸管自动稳流控制系统，或带有载调压开关加饱和电抗器的(6)尽可能缩知输入输出母排的结构长度；(7)降低母排的电流密度；(8)采用降低涡流、磁滞损耗的柜体结构。2.整流线路通常在直流输出电压低于300V时，采用双反星形带平衡电抗器整流线路，此线路的优点是整流电流仅通过一个整流器件，因而降低了损耗，节省了整流器件，且输出仍为6脉波，缺点是在同样的额定直流电压时，其整流器件承受的反向电压较三相桥式高一倍；当直流输出电压高于300Y时，采用三相桥式整流线路，缺点是整流电流要通过两个整流器件，但对于高电压线路，多一个管压降对整流效率的影响甚小，优点是整流器件的耐压要3.均流技术这是大电流整流装置的核心技术之一，因为每个桥臂需用多个器件并联供电，必须保证并联的各整流器件均衡地承担负载电流，一般均流系数应达到0.85～0.90或以上。对设计和工艺应采取如下措施：(1)采用φ75～100mm(3～4in)大容量整流器件，减少并联支路数，减少集肤效应影响，有利于提高均流系数，减小装置体积；(2)匹配晶闸管通态压降，使同一臂上各整流器件的通态压降差值尽量小，尽可能控制在1%～2%;(3)并联支路电抗对动态均流有重大影响，采用同相逆并联技术，减少空间磁场影响使支路引线电抗接近为零；(4)直流母排表面高精度加工，保证整流器件和快速熔断器与母排接触面完整，减小接触电阻不一致对均流的影响；(5)快速熔断器及整流器件安装时，保证各接触面清洁，紧固压力符合器件的压装要求；(6)为保证并联晶闸管的动态均流，采用前沿陡、带强触发的触发脉冲。4,整流器件的冷却技术大电流整流器由于器件数量多，且每个器件的发热量大，因而一般均采用水冷方式，冷却效果好，且不受环境温度影响，对厂房环境温度影响小。同一桥臂上并联的整流器件的一侧压装于同一个水冷母排上，另一侧与水冷散热器相接，实现器件的双面冷却。水冷散热器的进出水路采用并联供水方式，即每个水冷散热器的进出水水管均直接连接到主水冷却水的总管上，这样每个整流器件有相同的冷却条件，温升均衡，但水路连接较串联供水复杂。水冷母排应为多孔设计，水孔形状以增加与冷却水的接触而积为好，如齿轮形；为了减少损耗，母排的截面积应保证电流密度符合允许值，一般铜母排约为1A/mm²,铝母排约为儿十千安的大电流整流器在换相时将产生巨大的交变磁通，造成变压器二次电抗增第3章电力电子器件与电源269加、支路电抗不均衡、涡流损耗增大，致使功率因数、整流效率、均流系数降低；振动、噪声十分强烈。因而目前在单台整流电源的电流大于12kA时，均要采用同相逆并联整流技术。同相逆并技术是在一个整流装置上配置两组输人电压相位差180°的整流电路，在结构上，将两组同一相但极性相反的交流母排紧邻布置(即同相逆并联),这样同一相相邻的交流时排及整流桥臂在同-瞬间流过大小相同、方向相反的电流，它们所产生的交变磁通相互抵消从而降低引线电抗、涡流损耗、结构损耗、发热及机械振动和噪声，提高了功率因数、整流效率和均流系数，在实际应用中，噪声可降低10dB。采用同相逆并联技术将使装置控制难度增加，结构复杂。它要求两组相位相反的交流母排之间的间距十分小，在10~50mm内。在高电压整流电源中，母排及器件之间的绝缘强度必须足够，否则极易损坏器件，增加了设计和制造的难度，但是其技术、经济指标的优越性促使它在电解整流电源中得到广泛应用。通常要求直流电压≤500V、直流电流>25000A的双反星形带平衡电抗器整流电源，直流电压>315V、直流电流>12500A的三桥式整流电源中，采用同相逆并联技术为好。3.4.2大电流二极管整流电源大电流二极管整流电源的单机容量达几十兆伏安，直流输出电流达几十千安，直流输出电压达千伏左右，所以整流变压器的网侧电压为10～220kV,视电解设备的总容量而定。大电流二极管整流电源的单线图见图3-33。高压交流电网通过高压断路器QF向调压变压器T¹供电，根据负载供电要求，通过有触点开关实现交流有级调压，共二次侧输出调压后的交流电压供给整流变压器T2,T2的二次侧串联饱和电抗器1S后供电给二极管整流器U1,将交流电转变为直流电，供给负载Z。调压变压器有两种调压方式：(1)对允许停电的调压设备，采用无励磁分接开关(又称无载倒段开关)实现电压有级切换，每次切换后需对该级的接触电阻进行测量，以保证其接触良好，缺点是切换时间较长，约几十分钟，切换级数有限；优点是投资低；(2)对不允许停电运行切换电压或需频繁地改变电压的设备，均应采用有载分接开关(又称有载调压开关)进行切换。有载调压开关可以有27×2级或35级有载切换，实现输出电压的粗调；而饱和电抗器视负载的要求实现细调，在要求恒流性质负载中，通常采用带主电流闭环调节的单相晶闸管调压装置U2,对饱和电抗器的励磁电流进行自动调节，实现负载电流细调，达到负载电流的稳流的日的。其动态响应时间约几十毫270电气传动自动化技术手册秒。当系统稳流所需的调压范围在饱和电抗器的调压范围之内时，稳流精度可达1%～2%;当系统稳流所需的调压范围超出饱和电抗器的调压范围时，必须依靠有载调压开关切换电压米满足稳流的要求，有载调压开关每切换一级约需几下秒时间，因而使动态稳流精度大大降低，约为5%～10%。大电流二极管整流电源的优点是控制简单，工作可靠，价格低；缺点是受饱和电抗器调压范围所限，动态稳流精度低；发生过电流等故障时，只能依靠高压断路器带载跳闸，因而影响高压断路器触头寿命，增加维修量；有载调压开关动作次数有限，不能作过十频繁的切换，也将影响稳流精度。大电流二极管整流电源的主要问题是其配套的调压变压器结构复杂，对高压(110~220kV)有载调压开关技术要求高，一般均需选用进口开关，价格昂贵；由于经常带载切换，3.4.3大电流晶闸管整流电源20世纪80年代后期，随着电力电子技术的迅速发展，晶闸管的容量及控制技术日益成熟、以ABB公司产品为代表的几卜千安的品刚管整流电源进入市场。此类电源的稳流特性是依靠品阐管的快速移相调压来实现。从控制特性而言，一般是采用电流闭环调节系统，系统的控制复杂性不如轧钢、卷扬机的控制。大电流晶闸管整流电源的主要优点是(1)动态稳流精度高，由于品闸管移相控制的动态响应时间仅为儿毫秒，所以动态稳流精度可达0.1%以1;(2)完善的保护措施，当出现过电流、短路、过电压等任何危及整流器和人身安全故障时，控制系统会自动实现触发脉冲推β,进人逆变状态，使直流电流在几十毫秒内迅速降到零，因而品刚管和快速熔断器不易损坏，并可实现高压断路器无载跳闸，提高了高压断路器使用寿命，降低了维修工作量和维修费用；(3)整流变压器结构简单，在要求电压有级调整场合(例如新建铝电解系列起动期间)可采用国产有载调压开关或无载倒段开关配合使用，整流变压器投资低，维修工作量小。(1)品闸管整流电源价格较二极管整流电源高；(2)高达数十千安的直流电流的自动稳流控制技术复杂，对运行、维护人员要求高；(3)对110～220kV高压开关通断火化和大电流强磁场的敏感度高(4)由了采用移相控制，所以谐波电流大，深控时功率因数低，谐波滤波器容量大，投资较二极管电源的谐波滤波器大。大电流品闸管整流电源系统常有两种结构型式：(1)高电压直降整流变压器加同相逆并联晶闸管整流器，适用于工作电压变化范围不大(2)高压调压变压器加同相逆并联整流变压器和同相逆并联晶闸管整流器。对于新建电解铝厂，电解槽子由零开始逐日增加，达到额定电压需要几十天甚至几个月的时间，如仅用额定输入电压供电，则在低压运行时出现功率因数很低，谐波量很大的状况，为此采用此方式，以保证低压运行功率因数和谐波量在合理的范围内，这种调压变压器可采用无载多级倒段或国产有载调压开关调压。第3章电力电子器件与电源2713,4.3.2工作原理直降品闸管整流电源的电气原理框图见图3-34。模拟量U.为电流给定，Up为电流反馈.取自整流变压器一次侧电流互感器TAl.与U,比较后的差值△U输入到电流调节器ACR,经PI运算和输入变换器BE变换后、输出控制电压U、控制触发器的触发脉冲移相，触发器GT产生6组间隔为60°。的双窄脉冲，再经脉冲放大单元AP功率放大，形成具有强触发的脉冲列，挖制晶闸管的触发延迟角α。以铝电解电源为例来说明其稳流控制的工作原理。当铝电解槽发生阳极效应时，槽电压升高，导致直流电流下降，U,减小，差值△U增大，使α角前移，输出直流电压增加，以保持直流电流不变；反之当阳极效应消失后，槽电压下降，电流增大时，α角后移，使输出直流电压降低，仍保持直流电流不变。系统的动态响应为毫秒级，所以直流电流的波动值很小，动态稳流精度可达0.1%。同样，当电网电压波动升高时，a角后移，保持直流输出电压不变、直流电流稳定、反之亦然。系统保护自动调节系统设有控制电压和同步电压异常检测；112%Iv、125%1m过电流检测；快速熔断器熔断一个、熔断两个信号检测；水冷装置故障等故障检测。1.故障报警当电流反馈信号大于112%Im时，检测单元发出报警信号，系统仍可继续2.减小给定当整流桥臂上任一个快速熔断器熔断时，其微动开关发出报警信号，使电流给定信号自动减小20%,从而使该装置电流下降，但整流装置仍可继续工作；3.故障跳闸当控制电压或同步电压异常(断相或欠电压)、过电流达125%/以上、快272电气传动自动化技术手册速熔断器断两个、冷却水压欠压等故障中任一故障发生时，都会将电流给定信号置零，发出推β信号，将整流装置处于逆变状态，电流将迅速减小，实现断路器无载跳闸。3.4.4多台整流电源并联技术电解铝厂等大电流整流装置中常采用多台整流电源并联供电，以满足工艺对电流的要求，为了减小了谐波电流，各台变压器一次绕组均采用曲折接法，使各台整流变压器二次绕组的输出电压有不同的相移角，以使并联后总输出直流电流