1、晶闸管在电机软启动领域中的选择与应用 一 晶闸管产品特点简介 从 本 世 纪 50年 代 我国生产 晶闸管器件 问世以来 经历 了 50多 年的历史 刚开始时 由于制造工 艺水平不成 熟 性能很 不稳定 那时有人称之 为 可怕硅 现在随 着制造水平 的提高 各种性能相当稳定 已朝着大电流 3000A 以 上 高电压 6000V 以 上 方向发展 英文 为 Thyristor,也 称为可控 硅 Silicon Controlled Rectifier 它是一 种具有 P-N-P-N四层 三个 PN结 的 功率半导 体器件 它有三个电极 阳极 A 阴极 K 控制门极 G 是一 种电流控 制型器件
2、要使其导通 必须具备两 个条件 一 是阳极电位 高于阴极电 位 即正偏 置 二是控 制门极 施加足够功 率和宽度的 触发脉冲信 号 晶闸管 具有如下特 点 导通后 即使控制门 极触发信号 撤去 只要流过器 件的正向电 流大于维持 电流 一般 几十个毫安 它还能导 通 也就 是说通过关 断触发信 号来关断晶 闸管是不行 的 这点 与 IGBT GTR MOSFET 不 同 要想关 断它 必须 将维持导通 的电流减小至维持电流以下 因此有时需要进行强迫关断 ,即在需关断时 ,对它施加反偏置电压 (即 反压) 直至其关断 相对其 他功率器件 晶闸管因 其具有低的 导通压降 过流能力强 耐冲击 耐高压
3、 所以 在各种不同类型的电力电子变换装置中被广泛使用 交流电机软启动就是一个典型的应用 二 晶闸管参数说明 作为使 用者来说 要正确使用 晶闸管 首 先就要对晶 闸管的各项 电气参数有 一个详细的 了解这样 就可以正确 地选型 但 往往在实际 工作中 大 多数人并不 完全了解 如晶闸管额 定电流标称 的是平 均值概念 实际工作中 负载标称的 额定电流是 有效值 两 者之间是有 根本区别的 因此有必 要对几个主要参数作出一些说明 null 晶闸管额定电流平均值 IT(AV) IF(AV) (图 a) (图 b) (图 c) 从 图 a中可以计 算出额定通 态电流平均 值 IT(AV)和 正 弦
4、半波电 流峰值 Im之 间数学表达 式为 : IT(AV)= 210sinIm d =21x Im x (-COS )0= 21x Im x 2=Im-(1) 其中 为导通角 1 单只晶闸管额定通态电流方均根值( 即有效值) IRMS I2RMS=210I2msin2 d =2x I2T(AV)/4 IRMS =1.57 x IT(AV)-(2) 2 两只单独封装的晶闸管反并联交流有效值 :IRMS 如图 b 两只独 立封装可控 硅反并联后 形成一个双 向可控硅 因双向可控 硅晶闸管额定电流不能 用平均值标 称 因流过 的电流为交 流电 平均 值为零 所以只能用 交流有效值 IRMS 标称 由
5、 公 式 (1) 每 个晶闸管通 过的半波峰 值均为 Im= IT(AV) 正负两个半 波刚好组成一个 完整的正弦 波 该正弦 波峰值为 x IT(AV) 所以流过 MTX 模块的额 定有效值 (方 均根值) IRMS=2IT(AV)=2.22 IT(AV)-(3) 3 MTX型号模块交流有效值 IRMS 如图 c MTC型 号 模块从外 部将电极 1和 2联接在 一起后 就是 MTX型 号模 块 反并联形 成一个双向 可控硅晶闸 管 所以也 只能用交流 有效值 IRMS标称 公式 3 同样 适用 但由 于考虑到 MTX内部每个 晶闸管额定 平均电流 IT(AV)值是 在单独测试 情况测得的
6、,双管 芯同时工作 时 (严格说 相差 10ms 交 替导通 ),管 芯之间热 量相互会有 一点影响 故按IRMS=(1.6-2.0) IT(AV)考虑平均值和方均根( 即有效值) 为宜 null 晶闸管耐压的参数 VDRM;VRRM; VDSM;VRSM 晶闸 管电压指 标有 断 态正向不 重复峰值 电压 VDSM 断态 正向重复 峰值电 压VDRM 断态反 向不重复峰 值电压 VRSM 断态 反向重复峰 值电压 VRRM 以上概 念中重复 意味 着晶闸 管阴 阳极承 受的 电压在 一定 的漏电 流范 围内是 可以 重复施 加的 不重复意 味着晶闸管 阴阳极承受 电压的最大 峰值 超过 此最
7、大值漏 电流变大 超过额定值 室温和 结温时漏电 流额定值不 一样 所以讲 耐压指 标时 不能 脱离漏电流 漏 电流指 标生产商 在产品说明 书中或合格 证中都给出 了明确的范 围 一般地 说 室温漏 电流在 2mA 以下 结温漏电流在 20mA 以 下 对重 复峰值电压 和不重复峰 值电压 国外一般按 VDRM= VDSM-100V VRSM= VRSM-100V标称 国内一般 按 VDRM= VDSM-200V VRRM= VRSM-200V 或 VDRM= VDSM 80-90 %VRRM= VRSM 80-90 %标 称 三 晶闸管在电机软起动中的应用 电机起动时 起动电流一 般为额定
8、电 流 Ie 的6 -7倍 因 此在起动瞬 间对电网冲 击很大 对变压器的容量要求更高 同时也对其它的用电设备造成很大的影响 因 此 实际 工作中容量 超过 7.5KW的电机都要 求降压启动 传统的降 压启动方式 有磁控 降压启动器 自耦降压 启动 /Y变换降压启 动等 不管 那种方式对 电网还是存 在一或两 次的大电流 冲击 采用 晶闸管数字 控制软启动 器 具有比 上面介绍的 启动器更加 优越的好 处 主要表 现在降低电 机的起动电 流 降低配 电容量 避 免增容投资 降低起动 机械应力 延长电机 及相关设备 的使用寿命 起动参数 可视负载调 整 易于改 善工艺 保护 设备 1 晶闸管电机
9、软起动器工作原理 晶闸 管在电机软 起动器中的 应用是一种 利用晶闸管 进行交流调 压的应用 利用晶闸管可以 相控 改变 晶闸管导通 的相位角 调压的特点 我们知道 电机转子上 的力矩是与 加在定子 上电压的平 方成正比的 因此改变 加在电机定 子绕组上的 电压 可改 变电机转子 上的转矩 从而可根 据电机负载 的具体情况 设定电机 的起动电流 电机的起 动电流按与 额定电流 Ie 的比 例 可设定 电机起动电 流为 0.5 Ie; Ie; 2 Ie; 3 Ie; 4 Ie 即限 电流起动方式 其工作原理如下图 晶闸管电机软起动器工作原理示意图 2 晶闸管的选择 null 晶 闸 管 是电机
10、软起 动器中 最关 键的功 率器 件 整 机 装 置是否 工作 可靠与 正确 选择晶 闸管 额定电 流 电压 等参 数有很 大的 关系 选型 的原则 应该 首先考 虑工 作可靠 性 即电流 电压余量 倍数必须足 够 其次应 考虑经济性 即性价比 最后 应考虑 安装美观 体积 尽量减 小等对于 低压电机 线电 压为 380V 晶闸 管的正反向 重复额定电 压 VDRM VRSM 选 择 为 1200V足够 对于高 压 660V的 电 机 则应至 少选择电压 为 2200V以 上 的晶闸管 对 于 高 压 1100V的更高压电机 晶闸管的耐压至少选择电压为 3500V 以 上 null 对 晶 闸
11、 管额定 电流 的选择 必 须考虑 电机 的额定 工作 电流 一般 来说 三相 电机每 相额 定电流 有效值 Ie 按 Ie=(2.5-3) Pe(安 培 ) 电机的 额定功 率 KW 即每一 个千瓦 KW相当 于两个安培 的电流 例如 一个 55KW的三相 交流电机 其每相额定 电流有效值 是 110A考虑 两倍以上的 放大余量 因此选择额 定平均电流 为 275A/2.22 125A 以 上的平板 式晶闸管 或选额定平均电流为 275A/1.8 150A 以上晶闸管模块 MTX 系 列 null 各系 列电机对晶 闸管的选择 列表如下 仅供参考 而且假设装 置仅仅是用 于电机软起 动 即装
12、置 带旁路接触 器 如果 装置还用于 电机节能经 济运行 即装置 不带旁 路接触器 则对 应的电流值应按 2倍以上考虑 而且还必须保证足够的散热条件 电 机380V功率 KW 晶闸管额定 电压 V 电机 额定电流 Ie A 软 起装置推荐晶闸管额定电流 ITA 晶闸管封装形式 5 5 11 MTX-40A 7 5 15 MTX-40A 11 22 MTX-55A 15 30 MTX-55A 17 34 MTX-70A 22 1200 44 MTX-90A 模块 30 60 MTX-110A 37 74 MTX-135A 45 90 MTX-160A 55 110 MTX-182A 75 150
13、 MTX-200A 90 180 MTX-250A 110 220 MTX-350A 135 270 MTX-400A 150 300 MTX-500A 200 400 KP600A 250 500 KP800A 280 560 KP1000A 320 640 KP1000A 400 800 KP1200A 450 900 KP1500A 500 1000 KP1500A 平板式晶闸管 null 在电 机软起动装 置中 ,由 于 多是采用两 个独立晶闸 管器件反并 联组成的交 流相控调压 正负半 周 各 对应一 个晶 闸管工 作 因此对 两个 反并联 器件 参数的 一致 性要求 较高 包括 晶
14、闸 管触发 参数 维 持 电 流参数 等也 都尽量 要求 挑选一 致 尽量让 正负 半波对 称 否则会 有直 流成 分 电 流流过 电机 由于 电机 为线圈 绕组 负载 为电 感性 因此 过高的 直流 份量会 使得 电机定 子发 热 严 重 甚至会 烧毁 电机线 圈绕 组 从而 使电 机 报 废 从这点 来看 晶闸 管模 块由 于 管 芯在装 配之 前已进 行过 严格挑 选 因此其 一致 性还是 有所 保障的 另 一方面 在触发线路设计中 尽量采用强触发的方式 以能兼容器件触发参数的差异 四 晶闸管的保护 由于晶闸 管的击穿电 压接近工作 电压 线路 中产生的过 电压易造成 器件电压热 击穿
15、同 时 其热容量小 工 作时自 身发热严重 如 果不及 时将这些热 量排除 器件 内 PN结 温 Tj 势必超 过晶闸 管的结温极 限值 一般 TjMAX= 125C ,造 成 晶闸管的永 久性损坏 .因 此 ,在实际 使用中除合 理选择器件 的额定电压和额定电流值以外, 还必须采取足够的散热措施, 保证器件长期可靠的工作 null 过电压保护 凡超 过正常工作 时晶闸管应 承受的最大 峰值电压称 为过电压 电路 产生过 电压的外部 原因主要 是雷击 电网电 压激烈 波动或干扰 内 部原因 主要是电路 状态发生变 化时积累的 电磁能量不能 及时消散 根据产生的 原因可分为 两类 开关 过电压和
16、雷 击干扰过电 压 因此必 须采取必要的措施 使晶闸管承受的过电压限制在正反向不重复峰值电压 VRSM VDSM值以下 null 晶闸管关断过电压 换流过电压 保护 当晶 闸管 关 断 正 向电流 下降 到零时 管 芯内部 会残 留许多 载流 子 在反 向电 压的作用 下会瞬间出 现反向电流 使残存的 载流子迅速 消失 形成 极大的 di/dt 即使线 路中串联 的电感很小 由于反向 电势 V=-Ldi/dt,所以也 能产生很高 的电压尖峰 (或毛刺 ),如 果这个尖峰电压超过晶闸管的最大峰值, 就会损坏器件 对于这 种尖 峰电压 一般 常用的 方法 是在器 件两 端并联 阻容 吸收回 路 利
17、用电 容两 端电压不能 突 变的特性 吸 收尖峰电 压 阻容吸 收 回路要尽 可 能靠近晶 闸 管 引 线要尽 可 能短 最好 采 用无感电 阻 千万不 能 借用门极 中 辅助阴极 线 因辅助 阴 极线线径 很 细 回路中过大的电流会将该线烧断 阻容元件的选取值按以下表格中经验值和公式选取 晶闸管阻容吸收元件经验数据 晶闸管额 定电流 A 26 50 70 100 160 200 300 500 电阻 R 60 100 40 80 30 50 20 40 10 20 10 20 5 10 2 电容 C F 0.15 0.2 0.5 0.5 1 1 1 1 表中电阻的功率由下式确定 PR= f
18、CU2m x 10-6电容耐压一般为晶闸管电压 1.3倍 式中 f-频 率 50HZ PR-电 阻 功 率 W Um-晶闸 管工作峰值 电压 V C-串联的电容 F null 交流侧过电压极其保护 交 流侧电路在 接通 断开 时会产生过 电压 对于 这类过电压 保护 目前 主要采用压敏电 阻和瞬态电 压抑制器 Transient Voltage Supperessor ,简 称 TVS 压敏电 阻是一种 非线性器件 它是以氧 化锌为基体 的金属氧化 物 有两个 电极 极间 充填有氧化 铋等晶 粒 正常电 压时晶粒呈 高阻仅有 100uA 左 右 的漏电流 ,过电压时引 起电子雪崩 呈低阻使电流
19、迅 速增大吸收 过电压. 其接法与阻 容吸收电路 相同 在交 直 流 侧 完全可以取代阻容吸收 但不能用作限制 dv/dt 的 保 护 故不宜接在晶闸管的两端 TVS类 器件当其 两端受到瞬 时高压时 能 以极高的 速度 10-12/S 从高阻 变为低阻吸收高达数千瓦的浪涌 TVS的部分型号性能参数如下表 型号 能量等级 Pm 击穿电压 VBR 备注 P6KE8CA 440CA 600W 6.8-440V 双向二极管封装 VSC10P5 24 500 8250W 5-24V SIP 封 装 单 向 TVS 阵 列 SMDA03A 24C 300W 5-24V 4 对 双 向 SOIC8 管封装
20、 90KS200C 90000W 200V 双 向 (军工级) 模块结构 704-15K36T 15000W 28V 功率电源保护用( 军工级) null 过电流保护 null 串接 交流进线或 采用漏抗大 的整流变压 器 利用电 抗限制短路 电流 但此 种方法在交 流电流较大 时存在交流压降 null 电流检测和过流继电器 通过电流检测实际电流值并与设定值进行比较 当实际电流值超过设定值时 通过比较 器输出电压值控制移相角度增大或拉逆变的方法减少电流 有时须停机 null 快速熔断器 与普通熔断器比较 快速熔断器是专门用来保护半导体功率器件过电流的 它具有快速 熔断的特性 在流过 6倍额定电
21、流时其熔断时间小于 50Hz 交流电的一个周期 20 ms 快速熔断器可接在交流侧 直流侧或与晶闸管桥臂串联 后者直接效果最好 一般说来 快速熔断器额定电流值 有效值 应小于被保护晶闸管的额定有效值 同时要大于流过晶闸管 的实际有效值 null 电压及电流上升率的保护 null 电压上升率 dv/dt 晶闸管阻断 时 其阴阳 极之间相当 于一个结电 容 当突加阳极电压时会产生充电电容电流 此电流 可能导致晶 闸管误导通 因此 对 管子的最大 正向电压上 升率必须加 以限制 一般采用阻容吸收元件并联在晶闸管两端的办法加以限制. null 电流上升率 di/dt 晶闸管开通 时 电流是从靠近门极区
22、的阴极开始导通然后逐渐扩展到整个阴极区直至全部导 通 ,这个过 程需要一定 的时间 如阳极 电流上 升太快 使电流 来不及 扩展到整个 管子的 PN结面 造成门极 附近的阴极 因电流密度 过大 发热 过于集中 PN 结温会 很快超过额 定结温而烧毁 故必须限 定晶闸管的 电流上升临 界值 di/dt 一般在 桥臂中串入 电感或铁淦 氧磁环 null 温度保护 模块产品与其 它功率器件 一样 在实 际工作中 由于自身功 耗 会引起 管芯温度的 升高结温 急剧上升 直至达到或 超过额定结 温 (Tjm) 如果不采取 措施将这种 热量散发出 去 就会致使 管芯特性变 软 漏电流 增加 直至 完全过热
23、击 穿损坏 晶闸管的损耗 主要由导通 损耗 (导 通平均 电流与导通 平均压降乘 积 ) 开关 损耗 门极 损耗三部分 组成 其中 最主要的是 正向导通损耗 因 此 晶闸管在 实际使用中 必须加以 冷却 (自 然 冷却或强迫 风冷 ) 有 条件时采用 热管或水冷 方式 综上 所述 考虑 散热问题的 总原则就是 控制模块中 管芯的结 温 Tj不超过 手册中给定的额定结温 (Tjm) 在实 际工作中 结温不容易 直接测量到 因此不能 用来作为是 否超温的判 断依据 通过 控制散 热器最高温 度处 (壳 温 Tc)来控制 结温是一个 有效的方法 由于 PN 结温和壳 温存在着温 度梯度 关系 通过 温控开关可 以很容易地 测量出晶闸 管与散热器 接触处表面 最高温度处 的温度用温 控开关测量 出的壳温是 否超过额定 值来保护晶 闸管正常工 作 在实际 线路设计中 增加一个或两 个温度控制 电路 分别 控制风机的 开启或主回 路的断电 停机 一般 控制散热器 最高处温度不超过 75 这样就可以保护晶闸管在额定结温下正常工作
