晶閘管及IGBT在靜止變頻技術(shù)中的應(yīng)用

　　我國20世紀(jì)80年代以前的靜止變頻技術(shù)由于受到電力電子器件技術(shù)的影響，一直處于停滯不前的狀態(tài)，各個(gè)行業(yè)感應(yīng)加熱用中頻電源基本上使用中頻變頻電機(jī)供電。隨著20世紀(jì)90年代初電力電子器件的發(fā)展，目前國內(nèi)中頻電機(jī)組正呈被淘汰的格局，靜止變頻設(shè)備開始大量使用，特別是在音頻、超音頻領(lǐng)域，表現(xiàn)更為明顯。80年代、90年代，國內(nèi)靜止變頻基本上采用晶閘管作為功率開關(guān)元件，工藝水平基本上以8KC為上限。到2000年，國內(nèi)開始出現(xiàn)采用IGBT作為功率開關(guān)器件的變頻技術(shù)，工作頻率可達(dá)20KC，功率可達(dá)300KW。目前國內(nèi)已出現(xiàn)50KC、100KW的全固態(tài)電源，可以說靜止變頻技術(shù)目前國內(nèi)處于高速發(fā)展的階段。

　　晶閘管的使用與保護(hù)

　　晶閘管是晶體閘流管的簡稱，它是具有PNPN四層結(jié)構(gòu)的各種開關(guān)器件的總稱。按照國際電工委員會(huì)（IEC）的定義，晶閘管指那些具有3個(gè)以上的PN結(jié)，主電壓——電流特征至少在一個(gè)象限內(nèi)具有導(dǎo)通、阻斷兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，且可在這兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體器件。我們通常說的晶閘管是其中之一，統(tǒng)稱可控硅（SiliconControlledRectifier），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(guān)斷晶閘管（GTO——GateTurnOffThyristor）和光控晶閘管（LTT——LightTriggeredThristor）等。

　　晶閘管的應(yīng)用

　　由于技術(shù)上的原因，單個(gè)晶閘管的電壓、電流容量是有限的，往往不能滿足大功率的要求，為了解決這個(gè)問題，須采用兩個(gè)或更多晶閘管的串、并聯(lián)工作方式。由于工藝條件的限制，晶閘管本身的特性參數(shù)存在差異，在晶閘管串、并聯(lián)工作時(shí)，必須采取嚴(yán)格的措施，使電流電壓差異限制在允許的范圍之內(nèi)，以保證各個(gè)晶閘管可靠工作。

　　晶閘管的串聯(lián)

　　通常使用兩只晶閘管串聯(lián)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(tài)均壓與動(dòng)態(tài)均壓。靜態(tài)均壓可采用無感電阻串聯(lián)分壓的方式解決；動(dòng)態(tài)均壓比較復(fù)雜，這是因?yàn)椋涸?shù)dv/dt的差異以及反向恢復(fù)時(shí)間的差異導(dǎo)致開通與關(guān)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(lián)電容以限制dv/dt，但是，實(shí)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(lián)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(lián)飽和電感或磁環(huán)，這樣就構(gòu)成了如圖所示的電路結(jié)構(gòu)。

　　晶閘管的并聯(lián)

　　由于單個(gè)元件耐壓水平的提高，每個(gè)元件并聯(lián)工作以增大設(shè)備功率的情形更常見，以兩只晶閘管并聯(lián)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(shù)的差異，比如飽和導(dǎo)通壓降的差異，di/dt的差異，電路安裝時(shí)工藝上的細(xì)微差別造成分布電感上差異等，直接導(dǎo)致I1≠I2，嚴(yán)重時(shí)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(nèi)。

　　通常采取的辦法是：1）采用共軛電感，以保證動(dòng)態(tài)均流；2）并聯(lián)RC電路以吸收浪涌電壓；3）盡量選用通態(tài)壓降一致的晶閘管并聯(lián)工作；4）嚴(yán)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(hù)措施要根據(jù)元件工作頻率的不足區(qū)別對(duì)待，在三相整流電路中，通常在電源端增設(shè)△形RC濾波器。

　　由于晶閘管自身特性參數(shù)的原因，其極限工作頻率一般限制在8KC以下，對(duì)于更高頻率的使用要求，目前國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)采用IGBT作為功率開關(guān)元件的超音頻電源。

　　IGBT的使用與保護(hù)

　　絕緣柵雙極晶體管（IGBT或IGT—InsulatedGateBipolarTransistor），是80年代中期發(fā)展起來的一種新型復(fù)合器件。IGBT綜合了MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的特性。目前IGBT的電流/電壓等級(jí)已達(dá)1800A/1200V，關(guān)斷時(shí)間已經(jīng)縮短到40ns，工作頻率可達(dá)40kHz，擎住現(xiàn)象得到改善，安全工作區(qū)（SOA）擴(kuò)大。這些優(yōu)越的性能使得IGBT稱為大功率開關(guān)電源、逆變器等電力電子裝置的理想功率器件。IGBT的驅(qū)動(dòng)方式與可控硅有著明顯的不同，導(dǎo)致控制電路有著很大的差異。可控硅采用強(qiáng)上升沿的窄脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)，而IGBT采用方波驅(qū)動(dòng)。

　　IGBT對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電路的要求

　　IGBT的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性與柵極驅(qū)動(dòng)條件密切相關(guān)。柵極的正偏壓+VGE、負(fù)偏壓-VGE和柵極電阻RG的大小，對(duì)IGBT的通態(tài)電壓、開關(guān)時(shí)間、開關(guān)損耗，承受短路能力以及dvce/dt等參數(shù)都有不同程度的影響。

　　柵極驅(qū)動(dòng)電路提供給IGBT的正偏壓+VGE使IGBT導(dǎo)通。在實(shí)際應(yīng)用中，綜合該電壓對(duì)開通時(shí)間、開通損耗以及器件在短路時(shí)承受短路電流時(shí)間等方面的因素，通常使用+15V。柵極驅(qū)動(dòng)電路提供給IGBT的負(fù)偏壓-VGE使其關(guān)斷。它直接影響IGBT的可靠運(yùn)行，為了防止IGBT產(chǎn)生動(dòng)態(tài)擎住現(xiàn)象，柵極負(fù)偏壓應(yīng)為-5V或更低一些的電壓，負(fù)偏壓的大小對(duì)關(guān)斷時(shí)間損耗的影響不大。

　　此外，柵極驅(qū)動(dòng)電壓必須有足夠快的上升和下降速度，使IGBT盡快開通和關(guān)斷，以減少開通和關(guān)斷損耗。在器件導(dǎo)通后，驅(qū)動(dòng)電壓和電流應(yīng)保持足夠的幅度，保證IGBT處于飽和狀態(tài)。由于IGBT多用于高電壓、大電流場合，信號(hào)控制電路與驅(qū)動(dòng)電路之間應(yīng)采用抗干擾能力強(qiáng)、信號(hào)傳輸時(shí)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(yīng)采用驅(qū)動(dòng)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(hù)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(shí)，為了防止異常現(xiàn)象造成器件損壞，通常采用下列保護(hù)措施：

　　1）通過檢出的過電流信號(hào)切斷柵極信號(hào)，實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)；

　　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(dāng)超過允許溫度時(shí)主電路跳閘，實(shí)現(xiàn)過熱保護(hù)。由于IGBT具有正溫度系數(shù)和良好的并聯(lián)工作特性，IGBT多采用多只元件并聯(lián)工作，主電路除對(duì)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(guān)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(fèi)用也較低，是靜止變頻技術(shù)新的發(fā)展方向。