电力电子晶闸管参数的选择

时间:2023.5.31

  电力电子晶闸管参数的选择【1】

  摘 要:就可控硅励磁设备和电机车上可控硅应用情况,在不同的场合、线路和负载的状态下,对可控硅的重要参数的选择进行了论证,以使设备运行更良好,使用寿命更长。

  关键词:可控硅;参数;选择

  电力电子晶闸管亦即过去国内称为可控硅,国外简称为SCR元件,是硅整流装置中最主要的器件,它的参数选择是否合理直接影响着设备运动性能。

  合理地选用可控硅可提高运行的可靠性和使用寿命,保证生产和降低设备检修成本费用。

  本文就乐山冶金机械轧辊厂使用较多的磁选和电机车设备选用晶闸管有关电参数作出论述。

  在一般情况下,装置生产厂图纸提供的可控硅的参数最主要两项:即额定电流(A)和额定电压(V),使用部门提出的器件参数要求也只是这两项,在变频装置上的快速或中频可控硅多一个换向关断时间(tg)参数,在一般情况下也是可以的。

  但是从提高设备运行性能和使用寿命的角度出发,我们在选用可控硅器件时可根据设备的特点对可控硅的某一些参数也作一些挑选。

  根据可控硅的静态特性,对可控硅器件参数的选择提出如下几点讨论。

  1 选择正反向电压

  可控硅在门极无信号,控制电流Ig为0时,在阳(A)一一阴(K)极之间加(J2)处于反向偏置,所以,器件呈高阻抗状态,称为正向阻断状态,若增大UAK而达到一定值VBO,可控硅由阻断突然转为导通,这个VBO值称为正向转折电压,这种导通是非正常导通,会减短器件的寿命。

  所以必须选择足够正向重复阻断峰值电压(VDRM)。

  在阳一一阴极之间加上反向电压时,器件的第一和第三PN结(J1和J3)处于反向偏置,呈阻断状态。

  当加大反向电压达到一定值VRB时可控硅的反向从阻断突然转变为导通状态,此时是反向击穿,器件会被损坏。

  而且VBO和VRB值随电压的重复施加而变小。

  在感性负载的情况下,如磁选设备的整流装置。

  在关断的时候会产生很高的电压( ∈=-Ldi/dt),如果电路上未有良好的吸收回路,此电压将会损坏可控硅器件。

  因此,器件也必须有足够的反向耐压VRRM。

  可控硅在变流器(如电机车)中工作时,必须能够以电源频率重复地经受一定的过电压而不影响其工作,所以正反向峰值电压参数VDRM、VRRM应保证在正常使用电压峰值的2-3倍以上,考虑到一些可能会出现的浪涌电压因素,在选择代用参数的时候,只能向高一档的参数选取。

  2 选择额定工作电流参数

  可控硅的额定电流是在一定条件的最大通态平均电流IT,即在环境温度为+40℃和规定冷却条件,器件在阻性负载的单相工频正弦半波,导通角不少于l70℃的电路中,当稳定的额定结温时所允许的最大通态平均电流。

  而一般变流器工作时,各臂的可控硅有不均流因素。

  可控硅在多数的情况也不可能在170℃导通角上工作,通常是少于这一角度。

  这样就必须选用可控硅的额定电流稍大一些,一般应为其正常电流平均值的1.5-2.0倍。

  3 选择门极(控制级)参数

  可控硅门极施加控制信号使它由阻断变成导通需经历一段时间,这段时问称开通时间tgt,它是由延迟时间td和上升时间tx组成,tr是从门极电流脉冲前沿的某一规定起(比如门极电流上升到终值的90%时起)到通态阳极电流IA达到终值的10%那瞬为止的时间隔,tr是阳极电流从l0%上升到90%所经历的时间。

  可见开通时间tgt与可控硅门极的可触发电压、电流有关,与可控硅结温,开通前阳极电压、开通后阳极电流有关,普通可控硅的tgt10μs以下。

  在外电路回路电感较大时可达几十甚至几百μs以上(阳极电流的上升慢)。

  在选用可控硅时,特别是在有串并联使用时,应尽量选择门极触发特征接近的可控硅用在同一设备上,特别是用在同一臂的串或并联位置上。

  这样可以提高设备运行的可靠性和使用寿命。

  如果触发特性相差太大的可控硅在串联运行时将引起正向电压无法平均分配,使tgt较长的可控硅管受损,并联运行时tgt较短的可控硅管将分配更大的电流而受损,这对可控硅器件是不利的。

  所以同一臂上串或并联的可控硅触发电压、触发电流要尽量一致,也就是配对使用。

  在不允许可控硅有受干扰而误导通的设备中,如电机调速等,可选择门极触发电压、电流稍大一些的管子(如可触发电压VGT>2V,可触发电流IGT:>150mA)以保证不出现误导通,在触发脉冲功率强的电路中也可选择触发电压、电流稍大一点的管。

  在磁选矿设备中,特别是旧的窄脉冲触发电路中,可选择一些VG、IG低一些的管子,如VGT<1.5V、IGT在≤100mA以下。

  可减少触发不通而出现缺相运行。

  以上所述说明在某些情况下应对VGT和IGT参数进行选择。

  (以上举例对500A的可控硅参考参数)

  4 选择关断时间(tg)

  可控硅在阳极电流减少为0以后,如果马上就加上正向阳极电压,即使无门极信号,它也会再次导通,假如在再次加上正向阳极电压之前使器件承受一定时间的反向偏置电压,也不会误导通,这说明可控硅关断后需要一定的时间恢复其阻断能力。

  从电流过O到器件能阻断重加正向电压的瞬间为止的最小时闻间隔是可控硅的关断时间tg,由反向恢复时间t和门极恢复时间t构成,普通可控硅的tg约150-200μs,通常能满足一般工频下变流器的使用,但在大感性负载的情况下可作一些选择。

  在中频逆转应用,如中频装置、电机车斩波器,变频调速等情况中使用,一定要对关断时间参数作选择,一般快速可控硅(即kk型晶闸管)的关断时间在10-50μs,其工作频率可达到1K-4KHZ;中速可控硅(即KPK型晶闸管)的关断时间在60-100μs,其工作频率可达几百至lKHZ,即电机车的变频频率。

  5 选择电压上升率(dμ/dt)和电流上升率(di/dt)

  当可控硅在阻断状态下,如在它的两端加一正向电压,即使所加电压值未达到其正向最大值断峰值电压VDRM,但

  只要所加的电压的上升率超过一定值,器件就会转为导通,这是PN结的电容引起充电,起到了触发作用,式使可控硅误导通。

  不同规格的可控硅都规定了不同的dμ/dt值,选用时应加以注意,选择足够的dμ/dt的可控硅管。

  一般500A的可控硅dμ/dt在100-200V/μs。

  电机车工作频率在几百HZ以内选用KK或KPK晶闸管应选用dμ/dt200-1000V/μs之间。

  当门极加入触发脉冲后,可控硅首先在门极附近的小区域内导通.再逐渐扩大,直至全部结面导通,因此如在刚导通时阳极电流上升太快,即可能使PN结的局部烧坏。

  所以对可控硅的电流上升率应作一定的选择,器件通态电流上升率(di/dt)应能满足电路的要求。

  普通的可控硅(500A)的di/dt在50一300A/μs,在工频条件下,如磁选机di/dt在50A/μs以下就可以满足使用;在变频条件下.如电机车di/dt必须在100A/μs以上。

  当阳极电压高而且在峰值时触发的情况下对dμ/dt和di/dt的要求都比较高,除了应使设备避免在这种状态下运行外,对可控硅的dμ/dt和di/dt同时也要选择使用,选高一点参数的使用,另外开通时直接接有大电容容量回路时,也必须选用较大di/dt的可控硅器件。

  6 选择掣住电流IL和维持电流IH

  当可控硅门极触发而导通,若阳极电流IA尚未达到掣住电流IL值时,触发脉冲一旦消失,可控硅便又恢复阻断状态,若IA>IL,虽去掉门极脉冲信号,仍维持可控硅导通。

  对如磁选装置等的电感性负载应加以注意。

  负载电流(亦即阳极电流)增长的快慢对于门极脉冲消失后可控硅是否能继续导通很重要,如图(1)所示:负载电流增长快时,在脉冲未消失前,IA>IL,脉冲消失后不影响IA的流通,若IA增长慢,脉冲消失时IA  在保证可控硅可靠触发并维持导通方面,据了解,有些半导体材料生产厂引人了日本的线路技术;“宽脉冲列触发线路”,该脉冲列幅度前沿陡、宽度大(脉冲列宽l80°,一般窄脉冲只有30°一50°,强触发脉冲也只有约90°),所触发快速、可靠,而且由于是脉冲列,所以功耗特别小(强触发的宽脉冲功耗特别大是一个重要的缺点)。

  如图(2)所示:

  该电路的脉冲列宽有效地保证了可控硅的维持导通,对可控硅的维持电流参数可以不作要求。

  据了解该电路还有稳压或稳流或稳电流密度运行的选择,有限定电流运行性能及过流封锁保护,有积分“柔软启动”特性,减小对可控硅的冲击电流,并保留过温和失压等开关信号的封锁保护接口,大大提高了设备使用的可靠性使用寿命,广东大宝山铁矿等的磁选机用该电路后都取得了极好的效果。

  综上所述,在选择可控硅器件参数的时候应根据不同的场合,线路和负载的状态而对一些特定的参数多给予选择的考虑,方可使设备运行更良好,更可靠和寿命更长。

  参考文献

  [1]�黄俊.电力电子变流技术[M].机构工业出版社,1992.

  [2]�任万强.晶闸管高功率因数可调节荧光灯电子镇流器[J].中国照明电气,2007,(4).

  [3]�王武.晶闸管串联调压电容无功补偿装置特性及试验[J].电力电子技术,2006,(5).

  [4]�李翔.基于晶闸管的三相三线交流调压电路分析与仿真[J].皖西学院学报,2006,(2).

  “电力电子技术”教学中电力仿真软件的选择与应用【2】

  摘要:“电力电子技术”课程教学过程中,电力仿真软件发挥着重要的作用。

  仿真软件的类型与特点直接决定着其适用场合、仿真速度、仿真精度以及逼近实际的程度等。

  在不同场合下,合理选择相应的电力仿真软件将可实现更好的仿真效果。

  通过介绍“电力电子技术”教学中常用的几种电力仿真软件,比较它们的特点及适用性,分析了它们在“电力电子技术”教学仿真中的选择依据及应用情况。

  关键词:电力仿真软件;电力电子技术;仿真效果;软件选择

  “电力电子技术”课程作为电力学、电子学和控制理论的交叉学科,是电气工程专业非常重要的必修课。

  随着电力电子器件的迅速发展,变流技术的发展也是日新月异,使得“电力电子技术”在电气类本科教学中的地位和作用越来越突出。

  然而,该课程涉及的内容较多且复杂,并在不断更新,如何能够让学生较快、较好地掌握所学内容成为教师们面临的一大难题。

  电力仿真软件走进“电力电子技术”的教学课堂在很大程度上有效地解决了这一难题。

  电力仿真软件通过数字仿真实现电力电子电路的分析、设计、调试等,直观的仿真结果给学生带来了浓厚的学习兴趣,并为将来的电路设计、科学研究打下一定的基础,因为小到本科学习中的基本实验、毕业设计,大到科研中的课题研究、设备装置的开发,通常都要通过仿真结果提供实验参数的参考依据。

  然而,面临众多电力仿真软件,如何根据实际情况进行合理的选择成为另一难题。

  本文将通过分析“电力电子技术”教学中常用的几种电力仿真软件提供合理选择的依据。

  一、常用电力仿真软件

  “电力电子技术”教学中常用的电力仿真软件主要有以下几种:MATLAB、PSIM、PSpice、PSCAD。

  MATLAB是主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境,功能全面,能够用于各个行业的建模仿真分析。

  MATLAB最重要的组件之一Simulink提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。

  其中,电力系统Power System工具箱包含的模组侧重电力系统方面的建模仿真,而电力电子元件模组则是专门针对电力电子电路的仿真设计的。

  PSIM是针对电力电子领域以及电机控制领域的仿真应用包软件。

  它具有仿真高速、用户界面友好、波形解析等功能,为电力电子电路的解析、控制系统设计、电机驱动研究等有效提供强有力的仿真环境。

  PSpice软件具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能和图形后处理功能等,以图形方式输入,自动进行电路检查,生成图表,模拟计算电路。


第二篇:现代电力电子技术


  现代电力电子技术【1】

  摘要:电力电子技术是利用电力电子器件对电能转换技术的控制。

  如果微电子技术是信息处理技术,电力电子技术就是电力处理技术。

  电力电子技术是衔接控制、电子和电力的三大电气工程技术的交叉科学的融合。

  由于新型的功率电子器件的广泛使用,使电子技术的发展大大超出信息处理和信息传输为主的弱电范围。

  而在交流电源的电压和频率变换技术方面,得到进一步开发。

  并且日益普及应用于工业生产中,使电子技术开辟了新的技术领域一一电力电子技术.随着工业设备机电一体化的技术改造,将使工业生产呈现新的面貌。

  关键词:浅谈 现代 电力电子技术

  现如今的高新技术有很多都是和电网的相位、电压、电流和频率等基本参数的转换与控制相关。

  现代电力电子技术能实现对这些参数的高效处理与精确控翻,对大功率的电能频率的变换能够得到很好的实现,这样可以支持多项高新技术的发展。

  1 现代电力电子技术的内涵

  现如今电力电子技术主要是处理的对象时功率,主要是来实现高效率和高品质的用电。

  电力电子技术主要通过电力半导体器件和自动控制技术、计算机和电磁技术的三者综合运用来实现获取、传输、变换和利用。

  在各种高质量、高效和高可靠性的电源中能够起到非常重要的作用,可以让当代的电力电子技术得到很充分的运用。

  功率IGBT和MOSFET是非常具有代表性,其功率半导体复合器件主要具有高频、高压和大电流等的特点。

  这类的特点也意味着传统的电力电子技术不能够适应现如今的社会发展,电力电子技术已经进入了一个全新的高速发展的时代。

  具有功能驱动、节能明显和先进等特点的IGBT,MOSFET等新型电力电子器件,所以可以在新型家电、感应加热、通信、计算机电源和电动交通工具等领域中有很好的发展前景。

  2 现代电力电子技术的历史沿革

  电子技术和微电子技术在80年代以来在各自的发展滞后得到了有效的结合,也就产生了全新概念的全控型的高频化电力电子集成器件。

  可关断晶体管(GTO)电力晶体管(GTR)以及此类晶体管的模块也得到了实用化。

  从此滞后,各种高频化和全控化的新型器件也相继出现,例如(功率MOSFET)绝缘门板晶体管(IGT或IGBT)、静电感应晶体管(SIT)、静电感应晶闸管(srrH)、MOS晶阐管(MCT),MOS晶体管(MGT)。

  这也意味着一个具有高频化和全控型的全新电力电子器件时代的诞生,传统的电力电子技术即将被淘汰。

  代电力电子技术大跨步进入高速发展的新时代。

  新一代电力电子器件的特点主要有多功能化、高频化、全控化和集成化。

  新型多功能的器件的出现促进了控制系统和变流电路的技术不断发展和成熟。

  现如今电力电子技术主要是由各种PWM电路、高频斩波电路和脉宽调制双零谐振电路组成。

  因此从今天的时代进入变频器,极大地丰富了电力电子技术的功能,不断开拓新的应用领域的时代的传统不断变化的需求的电力电子技术。

  3 现代电力电子技术的发展

  电力电子技术的发展自从20世纪90年代以来主要具有两个方面的特点:电子技术与微电子技术的不断完善结合和现有的各类新型电力电子技术器件参数的不断完善和提高。

  电力电子器件的发展特点使其迅速的想着大容量化和智能化的方向不断的发展,也预示着一个电力电子技术来到全新的时代。

  电力电子技术是多技术和多学科的相互渗透和创新结合的技术,在工业领域中对具有很强的渗透性。

  80年代后期,主要是以各种PWM电路和全控型新器件的现代化电力电子技术为代表。

  在此时代主要是家用电器等、交流电气牵引以及交流调速系统等领域运用的比较频繁。

  这个时代的发展预示着电力电子技术进入了新的发展阶段。

  在这个时代的电子电力系统当中,大型机组工作状态的改变和运转变流装置起着非常重要的作用。

  现代主要是给与直流输电以及系统运行的成熟控制和测试等安全保护提供一些技术手段。

  超导磁浮铁道系统主要有机车牵引、轻轨车以及地铁在电力电子技术应用领域已经非常普及。

  日本在火车在高速运行时有PWM逆变交流牵引系统取代原来的直流系统的技术是世界第一。

  先进的国家都非常的关注超导磁浮铁道系统的研究,其能够让火车高达500公里每小时。

  这样能够解除交通压力和提高运输能力,对国民经济的发展有着非常重要的作用。

  现如今的电力电子技术是传统产业和信息产业的主要是被控强电、弱电和接口桥梁。

  此技术的发展能够提高生产效率、降低消耗和节能。

  4 结语

  电力电子技术能能够让国家的基础产业得到非常快速的发展,其与国家发展的方针和政策的配合下能够在21世纪显得尤为重要。

  因此,电力技术成为了21世纪可持续发展不可或缺的组成部分,成为高科技产业链的关键所在,能够推动我国的工业技术创新。

  参考文献

  [1]刘莉宏.现代电力电子技术的发展及其应用[期刊论文]《北京工业职业技术学院学报》,2006年3期.

  [2]赵玉冰.浅谈现代电力电子技术的应用和发展[期刊论文]《科技咨询导报》,2007年3期.

  [3]王学礼.现代电力电子技术的应用与展望[期刊论文]《电气时代》,2003年8期.

  [4]李永东,张笑.微节能—现代电力电子技术的重要应用领域[会议论文].中国电机工程学会电力工业节能技术学术研讨会.1999.

  现代电力电子技术的应用【2】

  【摘 要】随着现代通讯技术、计算机技术的进步,科学技术得到迅速发展,而电力电子在这其中发挥了不可估量的作用。

  电子技术最早用于通讯、广播,而如今已渗透到新型武器、电子医疗器械、电气化设备、人造地球卫星和宇宙飞船等领域,给各个领域都带来了巨大的影响,没有电子技术这个极富生命力的领域的迅猛发展,就没有当代高速发展的物质文明和精神文明。

  【关键词】电力系统 开关电源 不间断电源

  一、电力电子技术的发展

  1957年美国通用电气公司研制出了第一个晶闸管,标志着电力电子技术的诞生。

  而1958年以集成电路的诞生为标志的微电子技术带动了一系列高新技术产业的发展,标志着第一次电子技术革命的开始。

  现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。

  电力电子器件按照能被控制电路信号所控制的程度分为不可控器件、半控型器件和全控型器件。

  不可控器件主要指电力二极管、该二极管虽不可控,可因为结构简单,使用方便成本低,仍被广泛应用。

  半控型器件主要指晶闸管,由它所组成的电路灵活成熟、开关损耗小、开关时间短,在电源、通用逆变器、电机控制等电路中应用广泛。

  但驱动电流大、耐浪涌电流能力差、容易受二次击穿。

  以电子技术和微电子技术的发展为背景,全控型器件是在八十年代末期和九十年代初期发展起来了,主要有电力晶体管(GTR)、电力场效应晶体管(电力MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)。

  其特点是集高频、高压和大电流于一身,是大型的功率半导体复合器件,全控型器件的诞生表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。

  二、现代电力电子的应用领域

  (一)电力系统及节能方面

  电力电子技术在电力系统领域中的应用着非常广泛和重要,在发电通过改变设备的运行特性为主要目的;而电子技术在高压输电领域的应用,极大的提高了电网运行的稳定性,被称为“硅片引起的第二次革命”;在配电领域,则通过电力电子装置来防止电网瞬间停电、瞬间电压跌落、闪变等,以进行电能质量控制,加强供电可靠性,改善供电质量。

  同时还通过减少无功损耗,提高功率指数,来达到节能的目的。

  在发达国家有60%以上的电能至少经过一次以上的电力电子变流装置进行处理。

  通过这种处理可以节约能源和提高用电设备的性能。

  直流输电在长距离、大容量输电中有很大的优势,其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都使用晶闸管变流装置。

  (二)交通运输

  电子技术在铁路运输、船舶、航天、电动汽车等行业都有广泛的应用,称为新兴产业不可缺少的重要技术。

  新型环保绿色电动汽车与混合动力电动汽车都正在积极的发展中。

  汽车是靠汽油引擎的运行发展起来的一种机械,它排出大量的二氧化碳与其他废气,严重污染了环境。

  而绿色电动汽车的电机用蓄电池为能源,靠电力电子装置来进行电力变换与驱动控制,其蓄电池的充电也是离不开电力电子技术的。

  显然,未来电动汽车大有可能取代燃油汽车。

  而在电气机车中的直流机车就是采用整流装置来供电的,而交流机车则采用变频装置来供电,都离不开电子技术的应用,直流折波器和铁道车辆、磁悬浮列车中的电力电子技术更是关键技术的应用实例。

  船舶、飞机也需要各种不同要求的电源,所以航海、航空都离不开电力电子技术。

  (三)开关电源

  首先高速发展的计算机技术在带领人类进入了信息社会的同时,也促进了电源技术的迅速发展。

  八十年代,计算机全面采用了开关电源,率先完成计算机电源换代。

  接着开关电源技术相继进入了电子、电器设备领域。

  开关电源和线性电源相比,二者的成本都随着输出功率的增加而增长,但二者增长速率各异。

  线性电源成本在某一输出功率点上,反而高于开关电源。

  随着电力电子技术的发展和创新,使得开关电源技术在不断地创新,这一成本反转点日益向低输出电力端移动,这为开关电源提供了广泛的发展空间。

  高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT的高频工作,开关频率一般控制在50-100kHz范围内,实现高效率和小型化。

  近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。

  开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化,关键技术是高频化。

  由于开关电源轻、小、薄的特点,其应用日益广泛。

  现在开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器,电子冰箱,液晶显示器,LED灯具,通讯设备,视听产品,安防监控,LED灯袋,电脑机箱,数码产品和仪器类等领域。

  (四)不间断电源(UPS)

  电子技术带给计算机领域的还有不间断电源技术。

  所谓不间断电源(UPS)是指计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。

  交流市电输入经整流器变成直流,一部分能量给蓄电池组充电,另一部分能量经逆变器变成交流,经转换开关送到负载。

  为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量,另一路备用电源通过电源转换开关来实现。

  目前在线式UPS的最大容量已可作到600kVA。

  超小型UPS发展也很迅速,已经有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。

  三、总结

  90年代以后,电子技术朝着大功率化、模块化、变频化和智能化发展。

  电化学专业、铁道电气车、钢铁工业、电力工业的迅速发展给电力电子器件提供了用武之地。

  通过电子技术和微电子技术的结合,促成了功率集成电路的诞生,最终促使了大量新结构、新材料器件等电子器件的诞生和发展,给工业、航天等带来了极大的帮助和便利,对节约能源、改造传统产业、发展新型产业作出了巨大的贡献。

  总而言之,电力电子因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。

  参考文献:

  [1]周明宝.电力电子技术[M].北京:机制工业出版社,1985.

  [2]陈国呈,周勤利.变频技术研究[J].上海大学自动化学院学报,1995(6):23-26.

  [3]王正元.面向新世纪的电力电子技术电源技术应用,2001

  [4]林渭勋.现代电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2007

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