【文章內(nèi)容簡介】 并聯(lián)。 晶閘管的保護(hù) 晶閘管在使用中，因電路中電感的存在而導(dǎo)致?lián)Q相過程產(chǎn)生 Ldi/dt，或系統(tǒng)自身出現(xiàn)短路、過載等故障 .所以要做好晶閘管的過電壓、過電流保護(hù)。 1 晶閘管的過電壓保護(hù) 晶閘管對過電壓很敏感，當(dāng)正相電壓超過其斷態(tài)重復(fù)峰值電 UDRM 一定值時(shí)晶閘管就會誤導(dǎo)通，引發(fā)電路故障；當(dāng)外加反向電壓 超過其反向重復(fù)峰值電壓 URM 一定值時(shí)，晶閘管就會立即損壞。因此，必須研究過電壓的產(chǎn)生原因及抑制過電壓的的方法。 過電壓產(chǎn)生的原因主要供給的電功率和儲能發(fā)生了激烈的變化，使得系統(tǒng)來不及轉(zhuǎn)換，或者系統(tǒng)中原來積聚的電磁能量來不及消散而造成的。主要表現(xiàn)為雷擊等外來沖擊引起的過電壓和開關(guān)的開閉引起的沖擊電壓兩種類型。由雷擊或高壓斷路其動(dòng)作等產(chǎn)生的過電壓是幾微妙或幾毫秒的電壓尖峰，對晶閘管是很危險(xiǎn)的。由開關(guān)的開閉引起的沖擊電壓又分為如下幾類 1）交流電源接通、斷開產(chǎn)生的過電壓 例如，交流開關(guān)的開閉、交流側(cè)熔斷器的熔斷等引起的過電壓，這些過電壓由于變壓器繞阻的分布電容、漏抗造成的諧振回路、電容分壓等使過電壓數(shù)值為正常值的 2 至 10 倍。一般低，開閉速度越快過電壓約稿，在空載情況下斷開回路將會有更高的過電壓。 2）直流側(cè)產(chǎn)生的過電壓 如切斷回路的電感較大或者切斷時(shí)的電流值較大，都會產(chǎn)生比較大的過電壓。這種情況常出現(xiàn)在切斷負(fù)載、正在導(dǎo)通的晶閘管開路或者快速熔斷器熔體燒斷等原因引起電流突變場合。 3) 換相沖擊電壓 包括換相過電壓和換相振蕩過電壓。換相過電壓是由于晶閘管的電流降為 0 器件內(nèi)部各結(jié)層殘流載流子復(fù)合所產(chǎn)生，所以有叫載流子積蓄效應(yīng)引起的過電壓。換相過電壓之后，出現(xiàn)換相振蕩過電壓，它是由于電容、電感形成共振產(chǎn)生的振蕩電壓，其值與振蕩結(jié)束后的反向電壓有關(guān)。反向電壓越高，換相振蕩過電壓也越大。 針對形成過電壓的不同原因，可以采取不同的抑制方法，如減少過電壓源，并使過 10 電壓幅值衰減；抑制過電壓能量上升的速率，延緩已產(chǎn)生能量的消散速度，增加其消散途徑；采用電子線路進(jìn)行保護(hù)。目前最常用的是在回路中接入吸收能量的元件，是能量得以消散，常稱之為吸收回路或緩沖電路。 常見的晶閘管過電壓有交流 側(cè)過電壓和直流側(cè)過電壓，對這些過電壓的主要處理措施如圖 33： FTCRC1RC2RVRC3RC4 RCDD 圖 33 晶閘關(guān)保護(hù)措施 F— 壁雷器 D— 變壓器靜電屏蔽層 C— 靜電感應(yīng)過電壓抑制電容 RC1— 閥側(cè)浪涌過電壓抑制用 RC 電路 RC2— 閥側(cè)浪涌過電壓抑制用反相阻斷式 RC 電路 RV— 壓敏電阻過電壓抑制器 RC3— 閥器件換相過電壓抑制用 RC 電路 RC4— 直流側(cè) RC 抑制電路 RCD— 閥期間開關(guān)斷過電壓抑制用 RC 電路 阻容吸收回路 通常過電壓均具有較高的頻率，因此 常用電容作為吸收元件，為防止振蕩，常加阻尼電阻，構(gòu)成阻容吸收回路。阻容吸收回路可接在電路的直流側(cè)、交流側(cè)、后并接在晶閘管的陽極與陰極之間。吸收電路最好選用無感電容，接線應(yīng)盡量短。 由硒堆及壓敏電阻等非線性元件組成的吸收回路 上述阻容吸收回路的時(shí)間常數(shù)RC 是固定的，有時(shí)對時(shí)間短、峰值高、能量大的過電壓來不及放電，抑制過電壓的效果較差。因此，一般在交流裝置的進(jìn)出線端還并有硒堆或壓敏電阻等非線性元件。硒堆的特點(diǎn)是其動(dòng)作電壓與溫度有關(guān)，溫度越低耐壓越高；另外是硒堆具有自恢復(fù)特性，能多次使用，當(dāng)過電壓動(dòng)作后硒基片上 的灼傷孔被熔化的硒重新覆蓋，又重新恢復(fù)其工作特性。壓敏電阻是以氧化鋅為基體的金屬氧化物非線性電阻，其結(jié)構(gòu)為兩個(gè)電極，電極之間填充的粒徑為 10~50 m? 的不規(guī)則的 ZNO 微結(jié)晶，結(jié)晶粒間是厚約 1 m? 的氧化鉍粒界層。這個(gè)粒界層在正常電壓下呈高阻狀態(tài)，只有很小的漏電流，其值小于 100 A? 。 11 當(dāng)加電壓時(shí)，引起了電子雪崩，粒界層迅速變成低阻抗，電流迅速增加，泄漏了能量，抑制了過電壓，從而使晶閘管得 到保護(hù)。粒浪涌過后粒界層有恢復(fù)為高阻態(tài)。 1）、交流側(cè)過電壓阻容保護(hù) 下圖給出阻容保護(hù)常用的接線圖，其中電阻 R、 C用下面關(guān)系式近似計(jì)算 ： R0IUSU Z?????????= 24 2 7 .3 5 52 .34 3 8 9 0 1 0???????=? ?????????2206 USIC = 2438906 ?? =144? F 式中 :UZ — 整流變壓器的阻抗電壓，以額定電壓的百分?jǐn)?shù)表示，對于本設(shè)計(jì)，UZ = 4%~10%。 Io— 變壓器空載電流，以額定電流的百分?jǐn)?shù)表示 。 U2 — 變壓器二次相電壓有效值 (V)。 S— 變壓器每相的平均視在容量 (VA)。 阻容保護(hù)三角形連接時(shí)，電容器的電容量小但耐壓要求高聯(lián)接時(shí)，阻容保護(hù)星形連接時(shí)，電容器的電阻值要大但耐壓要求低、電阻值也小，通常增大 C 能降低作用到晶閘管上的過電壓 L di/dt 和 dv/dt，但過大的 C 值不僅增大體積，而且使 R 的功耗增大，并使晶閘管導(dǎo)通時(shí)的 di/dt 上升。增大電阻 R 有利于抑制振蕩但過大的 R 不僅使抑制振蕩的作用不大，反而降低了電容抑制 Ldi/dt 的效果 ,并使 R 的功率增大，所以一般希望 R 小一些 (約 5~100)。為降低電阻的溫度電阻功率應(yīng)選電阻上可消耗功率值的 2倍左右。 電容的耐壓 ? = 3 ?? = 阻容電流： CI = CfCU?2 =612 3 .1 4 5 0 2 .9 4 7 4 010? ? ? ? ?= 電阻的功率 226 RIC? = 26 ??= 選用的電容為： 150 F? /200V 選用的電阻為： 10? / 12 a 交 流側(cè)得阻容保護(hù)星型接法 b 交流側(cè)的阻容保護(hù)三角形接法 圖 3_4 交流測的阻容保護(hù)接法 2）、非線性阻容吸收裝置保護(hù)（壓敏電阻） 壓敏電阻 RV 的選擇 UmA1 U?? ?= 0 .9 2 3 4 2 7 .3 50 .8 ? ? ?= 選用壓敏電阻的型號為： MYD14K271??? 3）、直流側(cè)過電壓阻容保護(hù) 直流側(cè)過電壓保護(hù)一般采用在晶閘管兩端并聯(lián)阻容吸收的方法。吸 收電阻與吸收電容的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為 : KC =(2~4) 3101?TI =(2~4) 3140 10?? =~016? F 電容耐壓 ? = ?? = RK =10~30? 阻容電流： CI = CKUfC?2 =612 3 .1 4 5 0 1 4 4 8 6 .610? ? ? ? ?= 電阻的功率取 20W 選用的電容為： 150 F? /200V 選用的電阻為： 10? / 13 2 晶閘管的過電流保護(hù) 由于半導(dǎo)體器件體積小、熱量小、特別像晶閘管這類高電壓大電流的功率器件，結(jié)時(shí)，熱量降來不及散發(fā)，使得結(jié)溫迅速升高，最終將導(dǎo)致結(jié)層被燒壞。 產(chǎn)生過電流的原 因是多種多樣的，例如，交流裝置本身晶閘管損壞，觸發(fā)電路發(fā)生相鄰設(shè)備故障影響等。 晶閘管過電流最常用的是快速熔斷器。由于普通熔斷器的熔斷特性動(dòng)作太慢，在熔斷器尚未熔斷之前晶閘管已被損壞；所以不能用來保護(hù)晶閘管?？焖偃蹟嗥饔摄y制熔絲埋于石英沙內(nèi)，熔斷時(shí)間極短，可以用來保護(hù)晶閘管。 使用中快速熔斷器的接法有快速熔斷器與晶閘管相串聯(lián)的接法如圖（ 1） ,快速熔斷器接在交流側(cè)如圖（ 2），快速熔斷器接在直流側(cè)，這種接法制能保護(hù)負(fù)載故障情況，當(dāng)晶閘管本身短路是無法起到保護(hù)作用，如圖（ 3）。本設(shè)計(jì)采用與元件串聯(lián)的快速熔斷器作過 載與短路保護(hù)。 快速熔斷器的選擇 通過晶閘管電流有效值 IT=58A, 故選用 RLS70 的熔斷器，熔體電流為 70A。 直流濾波電容器 dC 的參數(shù)計(jì)算。在三相全控整流電路中，輸出直流的基波脈動(dòng)頻率為 300Hz。為了保證整流輸出電壓為一平直電壓，濾波電路的時(shí)間常數(shù)，即濾波電容器 dC 和直流電源的等效負(fù)載電阻 R d 的乘積應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于整流輸出電壓的基波脈動(dòng)周期，實(shí)際應(yīng)用中一般取 68 倍即可。既有： ddRC =（ 6~8） /300=（ 20~27） ? ?S?310? 得： dC =（ 20~27） ? ?FRd ?1103? 取 dR =10~100? 14 則 dC =200~2021 F? 實(shí)際中選用 dC =2021 F? 濾波電容的耐壓值按整流最大輸出電壓選取，即 流電抗器的 dL 參數(shù)計(jì)算的 dL 作用主要是限流，限制流過晶閘管的電流尖峰，改善網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)。 dL 一般可以按照下面的式子進(jìn)行計(jì)算求?。? ddCL =(20~23) ? ?FmH ??? 310 則 dL =（ 20~23）dC310? =10~? ?mH 因此 dL 可以按照 10mH ， 100A 選擇。 在選用 dL 和 dC 時(shí) ,除了考慮限流、濾波功能外，還需要考慮到在電源額定工作狀態(tài)下，斬波器因某種原因突然停止工作時(shí)，儲存在中 dL 的能量將轉(zhuǎn)移到 dC 中，此過程會使端 dC 電壓升高，此電壓則直接加到 IGBT 上，因此選擇時(shí)也 dL 不能取的太大。值應(yīng) dL 該滿足 : 22dddd IUCL ? （ k1） 2 其中 k 為升壓系數(shù)，一般取 。如果與的取值不能滿足上面的關(guān)系式則需要適當(dāng)?shù)脑龃?dC 或者減小 dL . 本設(shè)計(jì)中 : 22dddIUC （ k1） 2 =80? ?mH 因此前面的取值在 10mH 合理范圍內(nèi)，無需調(diào)整。 逆變電路的設(shè)計(jì) 逆變電路主要包括 :逆變模塊和驅(qū)動(dòng)電路。由于受到加工工藝，封裝技術(shù)，大功率晶體管元器件等因數(shù)的影響，目前逆變模塊主要由日本 (東芝 ,三菱 ,三社 ,富士 ,三肯。 )及歐美 (西門子 ,西門康 ,摩托羅拉 ,IR)等少數(shù)廠家能夠生產(chǎn)。驅(qū)動(dòng)電路作為逆變電路的一部分，對變頻器的三相輸出有著巨大的影響。驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)一般有這樣幾種方式(1)分立插腳式元件組成的驅(qū)動(dòng)電路 。(2)光耦驅(qū)動(dòng)電路 。(3)厚膜驅(qū)動(dòng)電路 。(4)專用集成塊驅(qū)動(dòng)電路等幾種。 (1) 分立插腳式元件的驅(qū)動(dòng)電路 15 分 立插腳式元件組成的驅(qū)動(dòng)電路在 80 年代的日本和臺灣變頻器上被廣泛使用 ,主要包括日本 (富士 :G2, :SVS,SVF,MF., 春日 ,三菱 Z 系列 K 系列等 )臺灣 (歐林 ,普傳 ,臺安 .)等一系列變頻器。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展及貼片工藝的出現(xiàn) ,這類設(shè)計(jì)電路復(fù)雜，集成化程度低的驅(qū)動(dòng)電路已逐漸被淘汰。 (2) 光耦驅(qū)動(dòng)電路 光耦驅(qū)動(dòng)電路是現(xiàn)代變頻器設(shè)計(jì)時(shí)被廣泛采用的一種驅(qū)動(dòng)電路，由于線路簡單，可靠性高，開關(guān)性能好，被歐美及日本的多家變頻器廠商采用。由于驅(qū)動(dòng)光耦的型號很多，所以選用的余地也很大。 驅(qū)動(dòng)光耦選 用較多的主要由東芝的 TLP系列，夏普的 PC系列 ,惠普的 HCPL系列等。以東芝 TLP 系列光耦為例。驅(qū)動(dòng) IGBT 模塊主要采用的是 TLP250， TLP251 兩個(gè)型號的驅(qū)動(dòng)光耦。對于小電流 (15A)左右的模塊一般采用 TLP外圍再輔佐以驅(qū)動(dòng)電源和限流電阻等就構(gòu)成了最簡單的驅(qū)動(dòng)電路。而對于中等電流 (50A)左右的模塊一般采用TLP250 型號的光耦。而對于更大電流的模塊，在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)一般采取在光耦驅(qū)動(dòng)后面再增加一級放大電路，達(dá)到安全驅(qū)動(dòng) IGBT 模塊的目的。 (3) 厚膜驅(qū)動(dòng)電路 厚膜驅(qū)動(dòng)電路是在阻容元 件和半導(dǎo)體技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種混合集成電路。 它是利用厚膜技術(shù)在陶瓷基片上制作模式元件和連接導(dǎo)線，將驅(qū)動(dòng)電路的各元件集成在一塊陶瓷基片上，使之成為一個(gè)整體部件。 使用驅(qū)動(dòng)厚膜對于設(shè)計(jì)布線帶來了很大的方便 ,提高了整機(jī)的可靠性和批量生產(chǎn)的一致性，同時(shí)也加強(qiáng)了技術(shù)的保密性?，F(xiàn)在的驅(qū)動(dòng)厚膜往往也集成了很多保護(hù)電路，檢測電路。應(yīng)該說驅(qū)動(dòng)厚膜的技術(shù)含量也越來越高。 (4) 專用集成塊驅(qū)動(dòng)電路 現(xiàn)在還出現(xiàn)了專用的集成塊驅(qū)動(dòng)電路，主要由 IR 的 IR2111， IR2112， IR2113等，其它還有三菱的 EXB 系列 驅(qū)動(dòng)厚膜。 三菱的 M57956， M57959 等驅(qū)動(dòng)厚膜。此外，現(xiàn)在的一些歐美變頻器在設(shè)計(jì)上采用了高頻隔離變壓器加入了驅(qū)動(dòng)電路中 (如丹佛斯 VLT 系列變頻器 )。 應(yīng)該說通過一些高頻的變壓器對驅(qū)動(dòng)電路的電源及信號的隔離，增強(qiáng)了驅(qū)動(dòng)電路的可靠性，同時(shí)也有效地防止了強(qiáng)電部分的電路出現(xiàn)故障時(shí)對弱電電路的損壞。 在實(shí)際的維修中我們也感覺到這種驅(qū)動(dòng)電路故障率很低，大功率模塊也極少出現(xiàn)問題。在我們平時(shí)的日常生產(chǎn)使用中，大功率模塊損壞是一