整理电力电子器件应用指南.docx
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整理电力电子器件应用指南
电力电子器件应用指南
一、参数说明
1本手册参数表中所给出的数据，ITSM、I2t、dv/dt、di/dt指的是元件所能满足的最小值，Qr、VTM、VTO、rT指元件可满足（不超过）的最大值。
2通态平均电流额定值ITAV（IFAV）
ITAV（IFAV）指在双面冷却条件下，在规定的散热器温度时，允许元件流过的最大正弦半波电流平均值。
ITAV（IFAV）对应元件额定有效值IRMS=1.57ITAV。
实际使用中，若不能保证散热器温度低于规定值,或散热器与元件接触热阻远大于规定值，则元件应降额使用。
3晶闸管通态电流上升率di/dt
参数表中所给的为元件通态电流上升率的临界重复值。
其对应不重复测试值为重复值的2倍以上，在使用过程中，必须保证元件导通期任何时候的电流上升率都不能超过其重复值。
4晶闸管使用频率
晶闸管可工作的最大频率由其工作时的电流脉冲宽度tp，关断时间tq以及从关断后承受正压开始至其再次开通的时间tV决定。
fmax=1/（tq+tp+tV）。
根据工作频率选取元件时必须保证元件从正向电流过零至开始承受正压的时间间隔tH>tq，并留有一定的裕量。
随着工作频率的升高，元件正向损耗Epf和反向恢复损耗Epr随之升高，元件通态电流须降额使用。
二、元件的选择
正确地选择晶闸管、整流管等电力电子器件对保证整机设备的可靠性及降低设备成本具有重要意义。
元件的选择要综合考虑其使用环境、冷却方式、线路型式、负载性质等因素，在保证所选元件各参数具有裕量的条件下兼顾经济性。
由于电力电子器件的应用领域十分广泛，具体应用形式多种多样，下面仅就晶闸管元件在整流电路和单项中频逆变电路中的选择加以说明。
1．整流电路器件选择
工频整流是晶闸管元件最常用的领域之一。
元件选用主要考虑其额定电压和额定电流。
（1）晶闸管器件的正反向峰值电压VDRM和VRRM：
应为元件实际承受最大峰值电压UM的2-3倍，即VDRM/RRM=（2-3）UM。
各种整流线路对应的UM值见表1。
（2）晶闸管器件的额定通态电流IT（AV）：
晶闸管的IT（AV）值指的是工频正弦半波平均值，其对应的有效值ITRMS=1.57IT（AV）。
依照发热相等的原则，按实际流经器件的电流所产生的功耗小于器件允许最大功耗的原则选取器件，在简单计算中，可近似按实际电流有效值≤1.57IT（AV）来选择。
为使元件在工作过程中不因过热损坏，流经元件的实际有效值应在乘以安全系数1.5-2后才能等于1.57IT（AV）。
假设整流电路负载平均电流为Id，流经每个器件的电流有效值为KId，则所选器件的额定通态电流应为：
IT（AV）=（1.5-2）KId/1.57=KfbId
Kfb为计算系数。
对于控制角α=0O时，各种整流电路下的Kfb值见表1。
选择元件IT（AV）值还应考虑元件散热方式。
一般情况下风冷比水冷相同元件的额定电流值要低；自然冷却情况下，元件的额定电流要降为标准冷却条件下的三分之一。
表1：
整流器件的最大峰值电压UM及通态平均电流计算系数Kfb
整流电路
单相半波
单项双半波
单项桥式
三相半波
三相桥式
带平衡电抗器的双反星型
UM
U2
2U2
U2
U2
U2
U2
Kfb
α=0O
电阻负载
1
0.5
0.5
0.374
0.368
0.185
电感负载
0.45
0.45
0.45
0.368
0.368
0.184
注：
U2为主回路变压器二次相电压有效值，单项半波电感负载电路带续流二极管。
2．中频逆变元件的选择
一般400Hz以上的工作条件下，应考虑使用KK器件；频率在4KHz以上时，可考虑使用KA器件。
这里主要介绍一下并联逆变电路中元件的选择（见图一）。
（1） 元件正向和反向峰值电压VDRM、VRRM
元件正向和反向峰值电压应取其实际承受最大正、反向峰值电压的1.5-2倍。
假设逆变器直流输入电压为Ud，功率因数为cosψ则：
VDRM/RRM=（1.5-2）πUd /（2cosψ）
（2） 元件的额定通态电流IT（AV）
考虑到元件在较高频率下工作时，其开关损耗非常显著，元件的额定通态电流应按实际流过其有效值I的2-3倍来考虑，即
IT（AV）=（2-3）I/1.57
假设逆变器直流输入电流为Id，则所选器件IT（AV）为
IT（AV）=（2-3）×Id/（1.57）=（0.9-1.5）×Id
（3） 关断时间tq
并联逆变线路中，KK元件的关断时间选择要根据触发引前时间tf和换流时间tr来决定。
一般取：
tq=（tf-tr）×
（当功率因数为0.8时tf约为周期的十分之一，tr按元件di/dt小于或等于100A/μS来确定）
在频率较高时，可通过减小换流时间tr，并适当牺牲功率因数增加tf的方法来选择具有合适tq值的元件
以上简略介绍了整流和逆变工作条件下元件的选择。
在许多情况下，除了元件的额定电压、电流外，还要根据具体条件选择元件的门极参数、通态压降以及断态电压临界上升率dv/dt和通态电流临界上升率di/dt。
三、元件的保护
晶闸管元件的电压和电流过载能力极差，尤其是耐压能力，瞬时的过压就会造成元件永久性的损坏。
为了使元件能长期可靠地运行，必须针对过压和过电流发生的原因采取保护措施。
1． 过压保护
晶闸管工作过程中可能承受的过压主要有以下几种：
一种是由于装置拉、合闸、负载打火等引起的过压；一种是由于元件关断时产生的关断电压；还有因雷击等原因从电网侵入的浪涌电压。
为限制过电压的幅值低于元件的正反向峰值电压，可采取以下保护措施（见图二）。
（1） 在变压器一次侧接上避雷器，在二次侧加装阻容保护、硒堆、压敏电阻等非线性电阻元件进行保护。
在整流直流侧采取压敏电阻和泄能保护装置，以防止元件承受过电压。
（2） 在晶闸管阴阳极两端直接进行保护。
晶闸管关断过程中主电流过零反向后迅速由反向峰值恢复至零电流，此过程可在元件两端产生达正常工作峰值电压5-6倍的尖峰电压。
一般建议在尽可能靠近元件本身的地方接上阻容吸收回路。
电阻R选无感电阻，通常取5-30Ω；电容C通常在0.1-1μF，耐压选元件耐压的1.1-1.5倍。
具体R、C取值可根据元件型号及工作情况调试决定。
注意保证电阻R的功率，尤其在中频逆变电路中，使之不会因发热而损坏。
2． 过流保护
晶闸管元件在短时间内具有一定的过流能力，但在过流严重时，不采取保护措施，就会造成元件损坏。
在线路设计和元件选择时应考虑负载短路和过载情况，确保在异常情况下设备能自动保护。
一般有以下几种措施（见图三）。
（1） 在进线中串接电抗器限制短路电流，使其他保护方式切断电流前元件短时间内不致损坏；
（2） 线路采用过流检测装置，由过流信号控制触发器抑制过流，或接入过流继电器。
（3） 安装快速熔断器。
快速熔断器的动作时间要求在10ms以内，熔断体的额定电流IKR可按以下原则选取：
1.57IT（AV）≥IKR≥IT
IT（AV）为元件额定电流，IT为元件实际工作电流有效值
四、晶闸管门极触发
参数表中所给晶闸管IGT、VGT为能触发元件至通态的最小值，实际使用中，晶闸管门极触发IGT、VGT应远大于此值。
应用中门极触发电流波形对晶闸管开通时间、开通损耗以及di/dt承受能力，都有较大影响。
为保证元件工作在最佳状态，并增强抗干扰性能，对台基公司所有晶闸管，建议门极触发脉冲电流幅值：
IGM=2～5A（<10A），上升率：
diG/dt≥2A/µs，上升时间：
tr≤1µs。
即采用极陡前沿的强触发脉冲（见图四）。
五、元件串并联使用
元件串并联使用时，线路上应采取门极强触发脉冲、均流、均压措施，还须挑选开通、恢复特性一致的元件。
特别是元件串联工作于较高di/dt的逆变线路中时，其反向恢复特性对动态均压起主要作用。
六、散热器与元件的安装
元件的冷却方式有加装散热器自然冷却，风冷和水冷等方式，为了使元件充分地发挥其额定性能并加强使用中的可靠性，除必须科学地选择散热器外还需正确地安装。
只有正确地安装散热器才能保证其与元件芯片间的热阻Rj-hs满足数据表中的要求。
在元件与散热器的安装时，应注意以下事项：
1． 散热器的台面必须与元件台面尺寸相匹配，防止压扁、压歪损坏器件。
2． 散热器台面必须具有较高的平整、光洁度。
建议散热器台面粗糙度小于或等于1.6μm，平整度小于或等于30μm。
安装时元件台面与散热器台面应保持清洁干净无油污等脏物。
3． 安装时要保证元件台面与散热器的台面完全平行、同心。
安装过程中，要求通过元件中心线施加压力以使压力均匀分布在整个接触区域。
用户手工安装时，建议使用扭矩扳手，对所有紧固螺母交替均匀用力，压力的大小要达到数据表中的要求。
4． 在重复使用水冷散热器时，应特别注意检查其台面是否光洁、平整，水腔内是否有水垢和堵塞，尤其注意台面是否出现下陷情况，若出现了上述情况应予以更换。
水冷散热器安装图见下图（图五）:
在使用中需注意，风冷方式加装散热器后，一般要求风速不低于6m/s；水冷方式要求水冷散热器水流量不小于4×103ml/min，进水温度5℃-35℃,水质ρ≤2.5KΩcm。
台基公司可提供SS水冷系列和SF风冷系列以及各类非标及组件散热器，为元件配套使用。
根据元件通态额定平均电流推荐配置的标准型散热器型号见下表。
元件通态额定平均电流
推荐散热器型号
水冷
风冷
100A-200A
SS11
SF12
300A
SS12
SF13
400A
SF13、SF14
500A-600A
SS12、SS13
SF15
800A
SS13
SF16
1000A
SS14
SF17
1000A-3000A
SS14
其中SF系列风冷散热器是指在强迫风冷（风速≥6m/s）条件下的推荐配置，用户在使用时应根据实际散热条件并考虑可靠性要求进行选择。
对于1000A以上元件一般不推荐使用风冷散热器，若使用风冷散热器，则元件额定电流需降额使用。
用户未作特别要求时，台基公司所提供的成套元件都按标准配置安装散热器。
晶闸管、二极管主要参数及其含义
IEC标准中用来表征晶闸管、二极管性能、特点的参数有数十项，但用户经常用到的有十项左右，本文就晶闸管、二极管的主要参数做一简单介绍。
1．正向平均电流IF（AV）（整流管）
通态平均电流IT（AV）（晶闸管）
是指在规定的散热器温度THS或管壳温度TC时,允许流过器件的最大正弦半波电流平均值。
此时，器件的结温已达到其最高允许温度Tjm。
台基公司产品手册中均给出了相应通态电流对应的散热器温度THS或管壳温度TC值，用户使用中应根据实际通态电流和散热条件来选择合适型号的器件。
2．正向方均根电流IF（RMS）（整流管）
通态方均根电流IT（RMS）（晶闸管）
是指在规定的散热器温度THS或管壳温度TC时,允许流过器件的最大有效电流值。
用户在使用中，须保证在任何条件下，流过器件的电流有效值不超过对应壳温下的方均根电流值。
3．浪涌电流IFSM（整流管）、ITSM（晶闸管）
表示工作在异常情况下，器件能承受的瞬时最大过载电流值。
用10ms底宽正弦半波峰值表示，台基公司在产品手册中给出的浪涌电流值是在器件处于最高允许结温下，施加80%VRRM条件下的测试值。
器件在寿命期内能承受浪涌电流的次数是有限的，用户在使用中应尽量避免出现过载现象。
4．断态不重复峰值电压VDSM
反向不重复峰值电压VRSM
指晶闸管或整流二极管处于阻断状态时能承受的最大转折电压，一般用单脉冲测试防止器件损坏。
用户在测试或使用中，应禁止给器件施加该电压值，以免损坏器件。
5．断态重复峰值电压VDRM
反向重复峰值电压VRRM
是指器件处于阻断状态时，断态和反向所能承受的最大重复峰值电压。
一般取器件不重复电压的90%标注（高压器件取不重复电压减100V标注）。
用户在使用中须保证在任何情况下，均不应让器件承受的实际电压超过其断态和反向重复峰值电压。
6．断态重复峰值（漏）电流IDRM
反向重复峰值（漏）电流IRRM
为晶闸管在阻断状态下，承受断态重复峰值电压VDRM和反向重复峰值电压VRRM时，流过元件的正反向峰值漏电流。
该参数在器件允许工作的最高结温Tjm下测出。
7．通态峰值电压VTM（晶闸管）
正向峰值电压VFM（整流管）
指器件通过规定正向峰值电流IFM（整流管）或通态峰值电流ITM（晶闸管）时的峰值电压，也称峰值压降。
该参数直接反映了器件的通态损耗特性，影响着器件的通态电流额定能力。
器件在不同电流值下的的通态（正向）峰值电压可近似用门槛电压和斜率电阻来表示：
VTM=VTO+rT*ITM VFM=VFO+rF*IFM
台基公司在产品手册中给出了各型号器件的最大通态（正向）峰值电压及门槛电压和斜率电阻，用户需要时，可以提供该器件的实测门槛电压和斜率电阻值。
8．电路换向关断时间tq（晶闸管）
在规定条件下，在晶闸管正向主电流下降过零后，从过零点到元件能承受规定的重加电压而不至导通的最小时间间隔。
晶闸管的关断时间值决定于测试条件，台基公司对所制造的快速、高频晶闸管均提供了每只器件的关断时间实测值，在未作特别说明时，其对应的测试条件如下：
l 通态峰值电流ITM等于器件ITAV；
l 通态电流下降率di/dt=-20A/μs；
l 重加电压上升率dv/dt=30A/μs；
l 反向电压VR=50V；
l 结温Tj=115°C。
如果用户需要在某一特定应用条件下的关断时间测试值，可以向我们提出要求。
9．通态电流临界上升率di/dt（晶闸管）
是指晶闸管从阻断状态转换到导通状态时，晶闸管所能承受的通态电流上升率最大值。
器件所能承受的通态电流临界上升率di/dt受门极触发条件影响很大，因此我们建议用户应用中采用强触发方式，触发脉冲电流幅值：
IG≥10IGT；脉冲上升时间：
tr≤1μs。
10．断态电压临界上升率dv/dt
在规定条件下，不会导致晶闸管从断态转换到通态所允许的最大正向电压上升速度。
台基公司产品手册中给出了所有品种晶闸管的最小dv/dt值，当用户对dv/dt有特殊要求时，可在订货时提出。
11．门极触发电压VGT
门极触发电流IGT
在规定条件下，能使晶闸管由断态转入通态所需的最小门极电压和门极电流。
晶闸管开通过程中的开通时间、开通损耗等动态性能受施加在其门极上的触发信号强弱影响很大。
如果在应用中采用较临界的IGT去触发晶闸管，将不能让晶闸管得到良好的开通特性，某些情况下甚至会引起器件提前失效或损坏。
因此我们建议用户应用中采用强触发方式，触发脉冲电流幅值：
IG≥10IGT；脉冲上升时间：
tr≤1μs。
为了保证器件可靠工作，IG必须远大于IGT。
12．结壳热阻Rjc
指器件在规定条件下，器件由结至壳流过单位功耗所产生的温升。
结壳热阻反映了器件的散热能力，该参数也直接影响着器件的通态额定性能。
台基公司产品手册中对平板式器件给出了双面冷却下的稳态热阻值，对半导体功率模块，给出了单面散热时的热阻值。
用户须注意，平板式器件的结壳热阻直接受安装条件的影响，只有按手册中推荐的安装力安装，才能保证器件的结壳热阻值满足要求。
晶闸管、二极管简易测试方法
晶闸管、二极管广泛应用于各类电力电子装置中，许多情况下，现场服务人员和维修人员需要对器件进行检测，判断其性能好坏。
对器件制造企业而言，器件的检测要用到高压阻断测试仪、通态特性、动态特性测试仪等专业设备。
一般来说，器件用户或使用现场是没有这些价格昂贵的测试设备的。
本文就此向现场服务人员和维修人员推荐一种简易器件检测方法，用以粗略判断器件的好坏。
1．采用万用表的粗略判断法
通常用户现场最常用的检测工具是万用表，许多用户也习惯用万用表判断器件好坏。
在某些情况下用万用表也确实能检测出损坏的器件。
如晶闸管门极开路，用万用表可检测出门极至阴极电阻RGK无穷大；门极短路可检测出门极至阴极电阻RGK为零（或小于5W）。
器件完全击穿时，用万用表检测A、K两极电阻值可以判断出来。
但在器件阻断电压受损，尚未完全击穿时，万用表无法检测出来。
另外，好的器件因参数分散性，用万用表检测出的A、K电阻值会有较大差别，这也会让使用者产生错误判断。
因此，我们建议用户可以用万用表对器件进行一些粗略的检测，一般不建议用户采用万用表判断器件好坏。
2．推荐的简易检测方案
通常情况下，现场服务人员和维修人员最需要了解的是器件的阻断电压能力以及晶闸管的门极触发性能。
根据设备现场具有的条件，我们推荐图一电路所示的简易检测方案。
图一简易检测电路
DUT为被测器件，在DUT阻断电压为1000V左右时（须大于800V），可采用交流380V电源进行测试；在一些具有660V交流电源的场合，DUT阻断电压为2000V左右（须大于1200V）时，可采用交流660V电源进行测试。
D1可采用1-5A，耐压1000V以上二极管3只串联。
LAMP为检测指示灯，注意灯的额定电压要与进线交流电压配合，若用220V的灯泡，可根据进线电压高低采用多只串联。
被测器件为二极管时，将两只器件如虚线所示接入电路，不需要接电阻R和开关SW2。
对晶闸管，测试时，先合上开关SW1，若指示灯亮，说明该器件已被击穿或阻断电压已不够。
若指示灯不亮，说明器件阻断电压正常，此时若按下按钮SW2，指示灯亮，松开按钮，指示灯熄灭，说明该器件门极触发性能正常。
若按下按钮SW2，指示灯不亮，说明该器件门极已被损坏。
对二极管，测试时，合上开关SW1，若指示灯不亮，说明两只器件反向电压正常。
若指示灯亮，说明两只被测器件中，有一只或两只反向电压已损坏，可更换器件做进一步判断。
3．注意
a．本文推荐的检测方法基本思路是让器件在实际使用电压环境下考核，用户在检测时须确保被测器件阻断电压高于进线电压峰值，以免在测试中损坏器件。
b.对台基公司的平板式器件，用户在检测时须采用适当夹具，对器件A、K两极施加一定压力。
否则可能会因为器件内部未能良好接触而造成错误判断。
c.采用较高的进线电压检测器件时，操作人员须采取安全措施，防止出现触电事故，保证人身安全。
中频感应加热电源常见故障与维修
中频电源广范应用于熔炼、透热、淬火、焊接等领域，不同的应用领域对中频电源有不同的要求，因此，中频电源的控制电路和主电路有不同的结构形式。
只有在熟练掌握这些电路的基本工作原理和功率器件的基本特性的基础上，才能快速、准确地分析、判断故障原因，采取有效的措施排除故障。
在此仅对典型电路和常见故障进行探讨。
1 开机，设备不能正常起动：
1.1
故障现象：
起动时直流电流大，直流电压和中频电压低，设备声音沉闷，过流
保护。
分析处理：
逆变桥有一桥臂的晶闸管可能短路或开路，造成逆变桥三臂桥运行。
用示波器分别观察逆变桥的四个桥臂上的晶闸管管压降波形，若有一桥臂上的晶闸管的管压降波形为一线，该晶闸管已穿通；若为正弦波，该晶闸管未导通。
更换已穿晶闸管；查找晶闸管未导通的原因
1.2
故障现象：
起动时直流电流大，直流电压低，中频电压不能正常建立。
分析处理：
补偿电容短路。
断开电容，用万用表查找短路电容。
更换短路电容。
1.3
故障现象：
重载冷炉起动时，各电参数和声音都正常，但功率升不上去，过流保护。
分析处理：
（1）逆变换流角太小。
用示波器观看逆变晶闸管的换流角，把换流角调到合适值。
（2）炉体绝缘阻值低或短路。
用兆欧表检测炉体阻值，排除炉体的短路点。
（3）炉料（钢铁）相对感应圈阻值低。
用兆欧表检测炉料相对感应圈的阻值，若阻值低，重新筑炉。
1.4
故障现象：
零电压它激（无专用信号源）起动电路不好起动。
分析处理：
（1）电流负反馈量调整得不合适；
（2）与电流互感器串联的反并二极管是否击穿；（3）信号线是否过长过细；（4）信号合成相位是否接错；（5）中频变压器和隔离变压器是否损坏，特别要注意变压器匝间短路。
重新调整电流负反馈量；更换已损坏的部件。
1.5
故障现象：
零电压它激扫频起动电路不好起动。
分析处理：
（1）扫频起始频率选择不合适，重新选择起始频率。
（2）扫频电路有故障。
用示波器观察扫频电路的波形和频率。
排除扫频电路故障。
1.6
故障现象：
起动时，各电参数和声音都正常，升功率时电流突然没有，电压到额定值，过压过流保护。
分析处理：
负载开路，检查负载铜排接头和水冷电缆。
2. 设备能起动，但工作状态不对。
2.1
故障现象：
设备空载能起动，但直流电压达不到额定值，直流平波电抗器有冲击声并伴随抖动。
分析处理：
关掉逆变控制电源，在整流桥输出端上接上假负载，用示波器观察整流桥的输出波形，可看到整流桥输出缺相波形。
缺相的原因可能是：
（1）整流触发脉冲丢失。
（2）触发脉冲的幅值不够、宽度太窄导致触发功率不够，造成晶闸管时通、时不通。
（3）双脉冲触发电路的脉冲时序不对或补脉冲丢失。
（4）晶闸管的控制极开路、短路或接触不良。
2.2
故障现象：
设备能正常顺利起动，当功率升到某一值时，过压或过流保护。
分析处理：
分两步查找故障原因：
（1）先将设备空载运行，观察电压能否升到额定值。
若电压不能升到额定值，并且多次在电压某一值附近过流保护。
这可能是补偿电容或晶闸管的耐压不够造成的，但也不排除是电路某部分打火造成的。
（2）若电压能升到额定值，可将设备转入重载运行，观察电流值是否能达到额定值，若电流不能升到额定值，并且多次在电流某一值附近过流保护，这可能是大电流干扰。
要特别注意中频大电流的电磁场对控制部分和信号线的干扰。
3. 设备正常运行时，易出现的故障。
3.1
故障现象：
设备运行正常，但在正常过流保护动作时，烧毁多支KP晶闸管和快熔。
分析处理：
过流保护时，为了向电网释放平波电抗器的能量，整流桥由整流状态转
到逆变状态，这时如果а＞1500就有可能造成有源逆变颠覆，烧毁多支晶闸管和快熔,开关跳闸，并伴随有巨大的电流短路爆炸声。
对变压器产生较大的电流和电磁力冲击，严重时会损坏变压器。
3.2
故障现象：
设备运行正常，但在高电压区内某点附近，设备工作不稳定，直流电压表晃动，设备伴随有吱吱的声音。
这种情况极容易造成逆变桥颠覆，烧毁晶闸管。
分析处理：
这种故障较难排除，多发生于设备的某部件高压打火：
（1）连接铜排接头螺丝松动造成打火。
（2）断路器主接头氧化导致打火。
（3）补偿电容接线桩螺丝松动引起打火，补偿电容内部放电。
阻容吸收电容打火。
（4）水冷散热器绝缘部分太脏或炭化对地打火。
（5）炉体感应线圈对炉壳、炉底板打火。
炉体感应线圈匝间距太近，匝间打火或起弧。
固定炉体感应线圈的绝缘柱因高温炭化放电、打火。
（6）晶闸管内部打火。
3.3
故障现象：
设备运行正常，但不时地可听到尖锐的嘀—嘀声，同时直流电压表有轻微地摆动。
分析处理：
用示波器观察逆变桥直流两端的电压波形，可看到逆变周期性短暂（一个周波）失败或不定周期短暂失败，并联谐振逆变电路短暂失败可自恢复。
周期性短暂失败一般是逆变控制部分受到整流脉冲地干扰
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