励磁系统大功率硅元件的简易检测

励磁系统大功率硅元件的简易检测李自淳夏维珞符仲恩彭辉张俏春中科院等离子体物理所科聚公司胡先洪陈小明三峡水力发电厂［摘要］本文介绍了励磁系统中所用大功率硅二极管和可控硅管的主要参数一一大电流通态压降（VT）及重复峰值电压（VDRM/VRRM）的简易检测方法。［关键词］励磁系统大功率硅元件检测1前言随着交流励磁机和静止整流励磁系统的普遍应用，大功率硅整流元件（二极管和可控硅）的使用越来越频繁。为了提高励磁系统的可靠性和增加励磁电源的容量，一般均采用多桥或多柜并联运行，这里就有一个各管子间的均流问题。电力部行业标准DL/T650-1998《大型汽轮发电机自并励静止励磁系统技术条件》和DL/T583-1995《大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件》均规定：“功率整流装置的均流系数一般不小于0.85”，而用户在招标时往往提出均流系数不小于0.9〜0.95的更高要求。为了满足如此高的均流要求，除了在电路上采取措施（如我公司用可调均流磁环改变各并联支路的电感）外，最基本的方法是调配各管子的大电流伏一安特性，这里就有一个测大电流通态压降（VT）的问题。同样由于自并励静止励磁的广泛应用，励磁回路的过电压保护问题愈显突出。因为可控硅管换相形成的高频尖峰毛刺电压峰值远高于励磁电压的平均值，使过压保护吸能元件（常用氧化锌压敏电阻ZnO）的荷电率超过了允许值（DL/T583-1995规定不大于0.6）。这样ZnO就不能直接跨接在转子两端，碳化硅压敏电阻SiC或线性电阻因泄漏电流大更不能直接跨接。目前国内外普遍在吸能元件上串联可控硅开关及二极管，组成“跨接器”（国外叫Crowbar）。对这种可控硅和二极管要求其正反向重复峰值电压（vdrm/vrrm）高而稳定,漏电流小，才能可靠工作。这样又提出测量重复峰值电压和漏电流的问题。硅元件制造厂肯定有一套专门检测设备，但价格昂贵，用户因测试量小不可能置备专门设备。本公司多年来采用普通的试验变压器和示波器等设备，成功解决了以上问题。检测结果用作励磁产品的设计组装依据，真实可信，保证了励磁产品的质量（均流系数可达0.98，跨接器安全可靠），得到用户的肯定。以下把我们所作的简易有效的检测方法作一介绍，以供参考。2大功率二极管管压降伏安特性检测2.1测试电路如图1所示，图中V1、V2为试品。aI至示波器X轴变流器15kVA感应调压器aI至示波器X轴变流器15kVA感应调压器25kVA图1 大功率二极管管压降伏安特性测试电路IU至示波器Y轴2.2测试方法2.2.1按图1接好电路。图中变压器、变流器及分流器是按试品管电流最大15A配置的，实际应用可根据测量电流需要及现有设备情况配置。变压器和变流器的容量以大为好，但稍小些也无妨，因试验时间很短（约2分钟），可以短时过载。分流器有意选得偏小，这样短时过载发热不严重，但电流讯号较强（大于75mV），提高信噪比，有利于抗干扰。2.2.2示波器放在“XY”档，X和Y通道的输入选“DC”、“1:1”，并调好合适的量程。开启示波器电源，可在屏幕上看到一个光点（机内扫描停止），将其移动到屏幕标尺的中心原点处。2.2.调压器输出放在零位，合上其原边的电源开关。2.2.4从零开始逐步调高调压器的输出电压，观察示波器的屏幕可以看到如图2所示的理论波形。随着输出电压的增高，曲线逐渐向两端扩展，到水平轴读数到达预定的电流值，就停止升压。这时屏幕上显示的即为预定要求电流下的管压降伏安特性。这是两只试品的特性，按图1接线，左边是V1的，右边是V2的，这样一次可以做二只管子，提高工效。2.2.5为避免试品及试验设备发热，每次通电时间不要超过2分钟，如来不及读数可把屏幕波形拍照留存。然后迅速把调压器输出电压降到零，切断电源。3大功率可控硅管管压降伏安特性检测3.1测试电路电路和图1相同，只是试品可控硅要加自触发电路，见图3,将该部分电路接到图1所示变流器的输出端a-x图3中，V1、V2为试品可控硅，D为小功率二极管，R为电阻。R的阻值可根据试品触发电流的大小调整，电阻小则触发电压低。3.2测试方法全部和2.2相同，只是在示波器屏幕上看到的波形如图4所示（理论波形）。在垂直轴附近的两个尖峰是可控硅管自触发的波形，触发电压不一定是图示的2.5V，决定于管子的触发电流和R的阻值，此值大小对管压降伏安特性没有影响，只需调整到便于观察就行。图2二极管压降检测示波器显示波形（理论）图3图2二极管压降检测示波器显示波形（理论）图3试品可控硅部分测试电路电压的检测4.1测试电路图中：TB一自耦调压变压器SB一试验变压器见图5。图中：TB一自耦调压变压器SB一试验变压器DL—高压硅堆R一限流电阻R1/R2-电阻分压器R3—分流电阻X一电流讯号，送示波器X图4可控硅管压降检测示波器波形（理论）轴通道Y一电压讯号，送示波器Y轴通道图5硅整流元件重复峰值电压测试电路图图6重复峰值电压检测示波器波形（理论）Y(U)4.2测试方法4.2.1按图5接好电路。4.2.2示波器放在“X-Y”档，X和Y通道的输入选“DC”、“1:1”，并调好合适量程。开启示波器电源，把光点移到“零位”。4.2.3把TB放到零位，合上原边的电源开关。4.2.4从零开始逐步调高TB的输出电压，可以在示波器上看到如图6所示的理论波形。开始漏电流很小，波形基本是一条垂直线，随着电压升高，直线顶尖逐渐上升，到一定时候开始向右方偏斜，说明漏电流增大。电压升到管子标称的重复峰值电压值（Vdrm/VRRM），漏电流不超过1mA为合格。4.2.5曲线挺直说明漏电流小，为上品；向右倾斜说明有一定漏电流，如不超过1mA竖线，仍为合格，但品质较差；如电压尚未升到标称的重复峰值电压，漏电流已超过1mA，则判为不合格，不再升高电压以免损坏管子（注意曲线顶尖不能超出图6中阴影范围）。这样的管子不能用来装“跨接器”，可改作其他用或到制造厂退换。5说明5.1以上试验均在常温下进行，环境温度25C±10C。5.2管子应正常装夹散热器，如单测管芯应加专用夹具夹紧,才能检测。5.3重复峰值电压对二极管就是反向电压Vrrm，对可控硅分正向断态（vdrm）和反向（vrrm）二次测试，方法相同。测可控硅时控制极悬空绝缘。5.4以上对重复峰值电压和漏电流的合格要求不符合硅整流元件的国标，但对装“跨接器”的特殊情况，有必要提出特殊的要求。我公司以企标形式规定，并取得硅元件生产厂的认可，执行多年，情况良好。5.5抗干扰问题示波器是灵敏电子器件，易受空间电磁波干扰，应注意抗干扰措施，如接好地线、引线和外壳屏蔽等。如发现干扰大可适当减小分流器的标称电流或加大分流电阻R3的阻值，以提高信噪比。另外如屏幕波形上叠加有干扰波，可由人工鉴别，读数时不予理会。5.6硅管结电容的影响硅二极管及可控硅管芯的p-n结，可等效成一个非线性电阻和结电容并联的电路（见图7）。特别大功率管的结电容较大，不可忽略其影响。由于结电容的影响，在测试中产生容性电流，它正比于电压的变化率du/dt相位上导前于电压。由于容性电流的影响，实际测试时看到的波形与图2、图4和图6所示的理论波形不同，而是如图8、图9和图10所示。因容性电流和电压不同相，看上去波形“开花”了。读数时可以不理会曲线正负迂回的过程，只要抓住“顶尖”点（图中标以P）就行，读出“顶