浅谈功率器件在静止变频技术中的应用

电力电子技术的发展  

我国20 世纪80 年代以前的静止变频技术由于受到电力电子器件技术的影响，一直处于停滞不前的状态，各个行业感应加热用中频电源基本上使用中频变频电机供电。随着20 世纪90 年代初电力电子器件的发展，目前国内中频电机组正呈被淘汰的格局，静止变频设备开始大量使用，特别是在音频、超音频领域，表现更为明显。80 年代、90 年代，国内静止变频基本上采用晶闸管作为功率开关元件，工艺水平基本上以8KC为上限。到2000 年，国内开始出现采用IGBT作为功率开关器件的变频技术，工作频率可达20KC，功率可达300KW。目前国内已出现50KC、100KW 的全固态电源，可以说静止变频技术目前国内处于高速发展的阶段。  

晶闸管的使用与保护  

晶闸管是晶体闸流管的简称，它是具有PNPN 四层结构的各种开关器件的总称。按照国际电工委员会（IEC）的定义，晶闸管指那些具有3 个以上的PN 结，主电压——电流特征至少在一个象限内具有导通、阻断两个稳定状态，且可在这两个稳定状态之间进行转换的半导体器件。我们通常说的晶闸管是其中之一，统称可控硅（Silicon Controlled Rectifier），主要有普通晶闸管（KP）、快速晶闸管（KK）、高频晶闸管（KG）、双向可控硅、门极可关断晶闸管（GTO——GateTurn Off Thyristor）和光控晶闸管（LTT——LightTriggered Thristor）等。  

晶闸管的应用  

由于技术上的原因，单个晶闸管的电压、电流容量是有限的，往往不能满足大功率应用的要求，为了解决这个问题，必须采用两个或更多晶闸管的串、并联工作方式。由于工艺条件的限制，晶闸管本身的特性参数存在差异，在晶闸管串、并联工作时，必须采取严格的措施，使电流电压差异限制在允许的范围之内，以保证各个晶闸管可靠工作。

晶闸管的串联  

通常使用两只晶闸管串联工作以解决单只晶闸管耐压不足的问题。这就需要解决晶闸管的工作电压平均分配问题， 包括静态均压与动态均压。静态均压可采用无感电阻串联分压的方式解决；动态均压比较复杂，这是因为：元件参数dv/dt 的差异以及反向恢复时间的差异导致开通与关断过程中元件承受的电压分配不均，极端情况可使支路电压全部加在一只晶闸管上。这一问题可采用并联电容以限制dv/dt，但是，实际上元件开通过程中电容通过元件放电影响di/dt，通常又在电容上串联电阻，形成RC 阻容吸收均压电路。为限制支路上的浪涌电流，通常在支路上串联饱和电感或磁环，这样就构成了如图所示的电路结构。  

  
晶闸管的并联  

由于单个元件耐压水平的提高，每个元件并联工作以增大设备功率的情形更常见，以两只晶闸管并联工作为例，如图二所示。  


  
理想情况下电流分布，I1=I2=I/2，但是由于元件参数的差异，比如饱和导通压降的差异，di/dt的差异，电路安装时工艺上的细微差别造成分布电感上差异等，直接导致I1≠I2，严重时将使电流较大的元件因过流而烧毁，因此必须采取措施保证I1 与I2 的差别在允许的范围内。  
通常采取的办法是：1）采用共轭电感，以保证动态均流；2）并联RC 电路以吸收浪涌电压；3）尽量选用通态压降一致的晶闸管并联工作；4）严格安装工艺，保证各支路分布电感尽量一致，如图三所示  


  
以上所述的保护措施要根据元件工作频率的不足区别对待，在三相整流电路中，通常在电源端增设△形RC 滤波器。  

由于晶闸管自身特性参数的原因，其极限工作频率一般限制在8KC 以下，对于更高频率的使用要求，目前国内已经出现采用IGBT 作为功率开关元件的超音频电源。  

IGBT 的使用与保护  

绝缘栅双极晶体管（IGBT 或IGT — Insulated Gate Bipolar Transistor），是80 年代中期发展起来的一种新型复合器件。IGBT 综合了MOSFET 和GTR 的优点，因而具有良好的特性。目前IGBT 的电流/电压等级已达1800A/1200V，关断时间已经缩短到40ns，工作频率可达40kHz，擎住现象得到改善，安全工作区（SOA）扩大。这些优越的性能使得IGBT 称为大功率开关电源、逆变器等电力电子装置的理想功率器件。IGBT 的驱动方式与可控硅有着明显的不同，导致控制电路有着很大的差异。可控硅采用强上升沿的窄脉冲信号驱动，而IGBT 采用方波驱动。  

IGBT 对栅极驱动电路的要求  

IGBT 的静态和动态特性与栅极驱动条件密切相关。栅极的正偏压+VGE、负偏压-VGE 和栅极电阻RG 的大小，对IGBT 的通态电压、开关时间、开关损耗，承受短路能力以及dvce/dt 等参数都有不同程度的影响。  

栅极驱动电路提供给IGBT 的正偏压+VGE使IGBT 导通。在实际应用中，综合该电压对开通时间、开通损耗以及器件在短路时承受短路电流时间等方面的因素，通常使用+15V。栅极驱动电路提供给IGBT 的负偏压-VGE使其关断。它直接影响IGBT 的可靠运行，为了防止IGBT 产生动态擎住现象，栅极负偏压应为-5V 或更低一些的电压，负偏压的大小对关断时间损耗的影响不大。  

此外，栅极驱动电压必须有足够快的上升和下降速度，使IGBT 尽快开通和关断，以减少开通和关断损耗。在器件导通后，驱动电压和电流应保持足够的幅度，保证IGBT 处于饱和状态。由于IGBT 多用于高电压、大电流场合，信号控制电路与驱动电路之间应采用抗干扰能力强、信号传输时间短的高速光电隔离器件加以隔离。为了提高抗干扰能力，应采用驱动电路到IGBT 模块的引线尽可能短、引线为双胶线或屏蔽线等措施。  

IGBT 的保护措施  

由于IGBT 具有极高的输入阻抗，容易造成静电击穿，将IGBT 用于电力变换时，为了防止异常现象造成器件损坏，通常采用下列保护措施：
  
1）通过检出的过电流信号切断栅极信号，实现过电流保护；  
2）利用缓冲电路抑制过电压，并限制过高的dv/dt;  
3）利用温度传感器检测IGBT 的外壳温度，当超过允许温度时主电路跳闸，实现过热保护。由于IGBT 具有正温度系数和良好的并联工作特性，IGBT 多采用多只元件并联工作，主电路除对称性外，无其他特殊要求。  

从目前的使用情况看，采用IGBT 作为开关元件的静止变频电源的故障率明显较低，元器件损坏的较少，维修费用也较低，是静止变频技术新的发展方向。