IGBT與可控硅區(qū)別

1、摘要：本文對歷年來得到廣泛應(yīng)用的可控硅全橋并聯(lián)逆變固體電源以及近幾年得到快速發(fā)展 的IGBT半橋串聯(lián)逆變固體電源的各項(xiàng)性能及它們的適用配套對象（電爐）進(jìn)行了詳細(xì)的比較分折。它將有助于用戶根據(jù)各自的工藝要求正確、合理、經(jīng)濟(jì)地選用合適的供電電源。關(guān)鍵詞：可控硅；IGBT;中頻固體電源，感應(yīng)電爐The performance comparison between MF power supply with SCR and IGBTYan Wenfei Yin Jingxing （ Xi' an Mechanical and Electric Research Institute 710075）

2、Abstract: The performance and it ' s application for the SCR solid state MF powersupply and IGBT solid state MF power supply was analyzed. The conclusion got in this article is helpful for the clients to select the correct, reasonable and economic MF power supply in accordance with their individ

3、ual process requirement.Keywords: SCR, IGBT, MF solid state power supply , induction furnace1 .前言在我國的鑄造界中，一般對配置可控硅（SCR）全橋并聯(lián)逆變固體電源的中頻感應(yīng)電爐通常俗稱為中頻爐，其逆變部分電路如圖1。而對配置IGBT半橋串聯(lián)逆變固體電源的中頻感應(yīng)電爐通常俗稱為變頻爐（這個(gè)稱呼并不確切，只是為了與配置可控硅全橋并聯(lián)逆變器的中頻爐相區(qū)別），其逆變部分電路如圖2。由于這二種感應(yīng)電爐的逆變供電電源不同，所以它們的工作性能也有很 大的區(qū)別。西安機(jī)電研究所既生產(chǎn)配置SCRir橋并聯(lián)逆變固體電源的

4、中頻爐，也生產(chǎn)配置 IGBT半橋串聯(lián)逆變固體電源的變頻爐。下文將對它們的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍作一簡單比較，以使用戶能哆根據(jù)各自的工藝要求正確選擇這二種不同類型的電爐，圖1 SCR全橋并聯(lián)逆變器原理圖圖2 IGBT半橋串聯(lián)逆變器原理圖2 .固體電源的各項(xiàng)性能比較2.1 目前可以提供的上述二種產(chǎn)品規(guī)格經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，可控硅已成為一種非常成熟的電力半導(dǎo)體元件。目前國外著名的SC制造商可以提供2700 A/2500 V等級的快速可控硅器件。如圖 1所示，在SC*聯(lián)逆變器中，并 我補(bǔ)償電容器和電爐的感應(yīng)線圈自成振蕩回路，流過可控硅的電流通常是電爐感應(yīng)線圈電流的 1/61/10（熔化負(fù)載）。因此SCRir

5、橋并聯(lián)逆變器通?？梢宰龅礁蟮墓β?。西安機(jī)電研究所現(xiàn) 在生產(chǎn)的SCRir橋并聯(lián)逆變固體電源的功率范圍是160 3000 kWIGBT（絕緣柵雙極晶體管）是一種新型電力半導(dǎo)體器件，正處在成熟發(fā)展過程中。現(xiàn)在進(jìn)入實(shí)用階段的大電流IGBT的規(guī)格是1200 A/1200 V（德國進(jìn)口）。從圖2可見，在IGBT半橋串聯(lián)逆變 券中，補(bǔ)償電容器與電爐的感應(yīng)線圈串聯(lián)，不能自成回路，電爐感應(yīng)線圈的電流必須全部流過 GBT。在這種電路中，IGBT通常采用多個(gè)并聯(lián)工作。但I(xiàn)GBT是一種快速開關(guān)器件，其關(guān)斷時(shí)由于連接銅排電感的作用， 會在IGBT上產(chǎn)生較高的關(guān)斷過電壓，如圖3。這個(gè)過電壓不能高于IGB-的額定耐壓，否

6、則會造成IGBT損壞。也就是說，連接銅排的電感限制了IGBT可并聯(lián)的個(gè)數(shù)。因比，采用IGBT元件的半橋串聯(lián)逆變固體電源在目前條件下尚不能達(dá)到很大的功率。西安機(jī)電研究所現(xiàn)在生產(chǎn)的IGBT半橋串聯(lián)逆變固體電源的功率范圍是501800 kWo圖32.2 電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)和諧波干擾電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)取決于整流電路的工作方式。對于三相橋式整流器而言，如果整流元件在受正向電壓時(shí)始終開通（如二極管），那末它的功率因數(shù)接近于 1。如果整流元件在受正向電壓一 沒時(shí)間后開通（如受移相控制的可控硅），那末功率因數(shù)等于控制角（120° -導(dǎo)電角）的余弦函 數(shù)。當(dāng)控制角為0°時(shí)，功率因數(shù)接近于1,此時(shí)

7、整流器的輸出電壓最高。當(dāng)控制角逐步增大時(shí)， 功率因數(shù)隨之減小，整流器的輸出電壓也逐步降低。對于SCRir橋并聯(lián)逆變器，由于可控硅不能自己關(guān)斷，SCRir橋并聯(lián)逆變器必須工作在電爐電流的相位超前于電爐電壓的相位狀態(tài)，它依靠反向施加在可控硅上的電爐電壓（或著補(bǔ)償電容券的電壓）使其關(guān)斷。這個(gè)超前的相位角（超前時(shí)間）取決于可控硅的關(guān)斷時(shí)間（20 50 s）,加 上一定的安全余量，一般是不可調(diào)的。也就是說，SCRir橋并聯(lián)逆變器本身不能調(diào)節(jié)輸出功率。聽以，它必須由SCR喬式整流器供電，依靠改變SCR喬式整流器的控制角來調(diào)節(jié)整流器的輸出電 玉，從而調(diào)節(jié)輸出功率。因此，當(dāng)SCRir橋并聯(lián)逆變器工作在額定輸出

8、功率時(shí)，其電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近于1,而當(dāng)輸出功率減小時(shí)，其電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)也相應(yīng)地降低。IGBT半橋串聯(lián)逆變器的情況有所不同。IGBT元件可以由門極電壓控制其開通或關(guān)斷，在任 何情況下只要其門極沒有電壓，IGBT元件就被關(guān)斷。因此，IGBT半橋串聯(lián)逆變器的工作頻率可 U任意改變。由串聯(lián)諧振電路的工作原理可知，當(dāng)工作頻率改變時(shí)，電爐電壓和電流的相位角隨 之改變，也就改變了送往電爐的功率。所以，IGBT半橋串聯(lián)逆變器可以通過調(diào)節(jié)工作頻率來調(diào)節(jié)輸出功率。它可以由固定的電壓 源供電，通常采用二極管三相橋式整流器，其電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近于1,并與輸出功率無關(guān)。固體電源對電網(wǎng)的諧波干擾取決于整流電路的型式。對三

9、相橋式整流器而言， 無論是可控硅悠流或二極管整流，都會產(chǎn)生 5次，7次，11次和更高次的諧波電流，他們的大小分別是基波電 宛的1巧，1/7和1/11 ,見圖4。圖4固體電源產(chǎn)生的高次諧波電流2.3 變換效率變換效率是固體電源中頻輸出功率與工頻輸入功率之比。固體電源內(nèi)部的損耗越小， 則變換效率越高。對于SCRir橋并聯(lián)逆變器，其損耗一般包括整流可控硅損耗，濾波電感器損耗，逆變可控硅 損耗，補(bǔ)償電容器損耗和連接銅排損耗。其中濾波電感器損耗占的比例較大，因?yàn)闉V波電感器通 常由銅管繞制，必須有一定的圈數(shù)，受體積限制，銅管也不能太粗。對于IGBT半橋串聯(lián)逆變器，其損耗一般包括整流二極管損耗，濾波電容器損

10、耗，逆變IGB-損耗，補(bǔ)償電容器損耗和連接銅排損耗。其中 IGBT的損耗占的比例較大，因?yàn)镮GBT的導(dǎo)通壓降 大于可控硅的導(dǎo)通壓降， 通過IGBT的電流又是全部電爐電流， 并且IGBT的數(shù)量較多。止匕外，IGB- 半橋串聯(lián)逆變器的連接銅排損耗也比同容量的SCRir橋并聯(lián)逆變器大。這是因?yàn)榍罢叩倪B接銅排長度和截面積都大于后者。比較二臺中等功率（1000 kW）的固體電源可以發(fā)現(xiàn)，SCRir橋并聯(lián)逆變器和IGBT半橋串聯(lián)逆 變器具有幾乎相等的變換效率。事實(shí)上，現(xiàn)代設(shè)計(jì)良好的固體電源 （無論可控硅或IGBT）其變換 效率一般都可達(dá)到97%Z上。但是隨著功率的增大，SCRir橋并聯(lián)逆變器的變換效率會略

11、高于IGBT半橋串聯(lián)逆變器。原因是大功率的SCRir橋并聯(lián)逆變器需要較小的濾波電感量（濾波電感器的銅重減少，鐵重增加），而IGBT半橋串聯(lián)逆變器的長的大電流銅排會產(chǎn)生更大的損耗。2.4 負(fù)載適應(yīng)范圍一臺熔化電爐將爐料從室溫加熱到熔化狀態(tài)時(shí)，其感應(yīng)線圈的阻抗變化范圍通?？蛇_(dá)到1.7 :1。為了使固體電源在熔化過程中始終送出額定功率，固體電源負(fù)載適應(yīng)能力必須滿足電爐阻抗 變化的要求。如前文所述，SCRir橋并聯(lián)逆變器是依靠調(diào)節(jié)整流控制角 （即改變整流器的輸出直流電壓）來 調(diào)節(jié)輸出功率的，這就意味著固體電源的負(fù)載適應(yīng)能力完全由整流器的電流余量決定。電流余量眩大，負(fù)載適應(yīng)能力越強(qiáng)。舉例來說，一臺 10

12、00 kW勺SCRir橋并聯(lián)逆變器，由三相 575 V供電, 悠流器輸出的最高直流電壓是 750 V,如果將直流電流限定在 1330 A,那末只有當(dāng)負(fù)載的等效直 宛電阻為0.56 Q時(shí)，固體電源剛好輸出額定功率。等效直流電阻變大或變小時(shí)，整流器將限壓 或限流，從而使輸出功率下降。如果將直流電流限定在1600 A,那末當(dāng)負(fù)載的等效直流電阻在0.39 0.56 Q范圍內(nèi)變化時(shí)，固體電源都能輸出額定功率。這時(shí)固體電源的負(fù)載適應(yīng)范圍為 1.43: 1。但是，由于受電源變壓器和整流可控硅容量的限制，電流余量不能無限增加，所以一 股的SCRir橋并聯(lián)逆變器不能在整個(gè)熔化過程中始終送出額定功率。通常當(dāng)爐料是

13、冷態(tài)的時(shí)候， 由于負(fù)載阻抗較小，整流器工作在限流狀態(tài)，輸出功率會小于額定功率。西安機(jī)電研究所生產(chǎn)的 SCRir橋并聯(lián)逆變器采用了先進(jìn)的微控制器控制技術(shù)，其逆變控制部分采用了人工智能控制程序。該程序在需要時(shí)可以在小范圍內(nèi)改變逆變器的逆變角（在可控硅關(guān)斷時(shí)間允許范圍內(nèi)），因此使SCRir橋并聯(lián)逆變器具有了小范圍調(diào)節(jié)負(fù)載等效直流電阻的能力， 和整流器的電流余量相配合，使這種SCR全橋并聯(lián)逆變固體電源具有接近恒功率輸出的能力（不卷完全達(dá)到）。IGBT半橋串聯(lián)逆變器具有良好的恒功率輸出的能力，它可在整個(gè)熔化過程中始終輸出額定 功率。當(dāng)電爐的負(fù)載阻抗變化時(shí)， 它可以調(diào)節(jié)工作頻率，從而使負(fù)載的等效直流電阻回

14、到額定值。 因?yàn)轭l率可以在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)（阻抗匹配能力遠(yuǎn)大于電爐阻抗的變化范圍），從而在熔化過程 中使負(fù)載的等效直流電阻一直固定在其額定值。因此，向IGBT半橋串聯(lián)逆變器供電的整流器不需要有電流余量，這同時(shí)也減小了電源變壓器的余量。2.5 工作頻率相對于IGBT而言，可控硅屬于慢速器件。要關(guān)斷可控硅，必須使其承受一定時(shí)間的反向電 玉（如前文所述）。因此SCRir橋并聯(lián)逆變器不適合工作在較高的頻率上。通常使用快速可控硅的并聯(lián)逆變器的工作頻率一般不超過 2500 Hz。因此SCRir橋并聯(lián)逆變器不適合用作表面淬火電源。IGBT是一種快速開關(guān)器件，其開通或關(guān)斷時(shí)間通常小于2 s。只要大電流銅排布局

15、合理，關(guān)斷過電壓不超過其額定電壓，IGBT半橋串聯(lián)逆變器可以工作在很高的頻率上。一般用于表面 淬火的IGBT半橋串聯(lián)逆變器的工作頻率可以高達(dá)100 kHz。2.6 器件的過流容量和過流保護(hù)可控硅的過流容量比較大，一般在20 ms內(nèi)允許有6倍于額定值的電流通過。SCRir橋并聯(lián)逆變器在直流通路上串聯(lián)有濾波電感器。當(dāng)可控硅直通短路時(shí)，這個(gè)電感器可 以限制短路電流的增長速度。當(dāng)過流保護(hù)動(dòng)作使整流器被關(guān)閉后，濾波電感器限制峰值短路電流在允許的范圍內(nèi)，從而避免可控硅的損壞。同樣以1000 kW的SCR全橋并聯(lián)逆變器為例，其最高直流電壓是750 V,額定工作電流是1330 A,濾波電感器的電感量是 2 m

16、H當(dāng)逆變可控硅短路 時(shí)，直流電流的上升率由下式確定 ：di/出=Vdc /L （Vdc是直流電壓，L是電感量）代入上面的數(shù)字可知直流電流的上升率是0.375 A/ s。此時(shí)如果過流保護(hù)動(dòng)作將整流可控硅的觸發(fā)脈沖關(guān)閉，原來導(dǎo)通的二只整流可控硅最長將在6.6 mS后關(guān)斷， 最大短路電流可由下式估算：Imax = Idc + di/dt*t （Idc是額定工彳電流，t 等于 6.6 mS）圖5計(jì)算得到最大短路電流是 2475 Ao事實(shí)上，在短路保護(hù)期間，直流電壓并非保持750 V不變，而是按正弦函數(shù)逐步上升然后再下降到零，實(shí)際最大短路電流將比上式計(jì)算的還要小，見圖 5。無論如何，這個(gè)最大短路電流遠(yuǎn)小

17、于可控硅的允許短路電流。而且，在整流器的進(jìn)線處一般 部裝有快速保險(xiǎn)絲，如果過流保護(hù)電路不動(dòng)作，1020 mS后快速保險(xiǎn)絲會燒斷。因此，當(dāng) SC金橋并聯(lián)逆變器出現(xiàn)可控硅直通短路故障時(shí)一般不會損壞可控硅元件。IGBT的過流容量比較小。當(dāng)IGBT直通短路時(shí)，其最大短路電流僅由IGBT門極電壓決定，一般是其額定電流的6 10倍，IGBT承受短路電流的時(shí)間不能超過 10 s,否則會造成IGBT 損壞。所以，與可控硅相比，IGBT是一種比較脆弱的器件。IGBT半橋串聯(lián)逆變器采用電容器作直流濾波，電容器和IGBT直接用銅排相聯(lián)。當(dāng)IGBT直通短路時(shí)，電流上升的速度非?？?，一般在 12 s內(nèi)電流就可上升到IG

18、BT額定電流的6 10 倍。過流保護(hù)電路必須在 10 s內(nèi)關(guān)閉IGBT,否則就會造成IGBT損壞。所以在IGBT半橋串聯(lián) 逆變器中對過流檢測和保護(hù)電路的要求非常高，這些電路必須快速動(dòng)作， 響應(yīng)速度應(yīng)控制在數(shù)微秒內(nèi)。IGBT直通短路時(shí)，大電流快速通過直流母排時(shí)會產(chǎn)生很大的電磁干擾，保護(hù)電路還應(yīng)有 足夠的抗干擾能力以保證動(dòng)作正常。眾所周知，在 10 s內(nèi)快速保險(xiǎn)絲是不可能被燒斷的。2.7 雙向供電SCRir橋并聯(lián)逆變固體電源是通過調(diào)節(jié)整流器的直流電壓來調(diào)節(jié)輸出功率，所以一臺整流器 只能帶一臺逆變器工作。 也就是說，一臺SCRir橋并聯(lián)逆變固體電源同一時(shí)刻只能向一臺電爐供 有。IGBT半橋串聯(lián)逆變固

19、體電源是通過調(diào)節(jié)逆變器的工作頻率來調(diào)節(jié)輸出功率，整流器輸出的 直流電壓是固定的。因此一臺整流器可以同時(shí)帶多個(gè)逆變器工作。在雙向供電情況下，一臺整流 券同時(shí)向二臺逆變器供電，可使二臺電爐同時(shí)工作。2.8 價(jià)格相同功率的IGBT半橋串聯(lián)逆變固體電源的價(jià)格通常比SCRir橋并聯(lián)逆變固體電源的價(jià)格高20 30 %,當(dāng)功率變大時(shí)價(jià)格差距將更加明顯。價(jià)格的差異主要取決于二方面。一是IGBT半橋串聯(lián)逆變固體電源采用電容器濾波，這些電容器的價(jià)格通常高于同功率的SCRir橋并聯(lián)逆變固體電源使用的濾波電感器的價(jià)格。二是IGBT器件的價(jià)格約為相同規(guī)格的快速可控硅價(jià)格的一倍。比外，在半橋串聯(lián)逆變器中IGBT要承受全部

20、電爐電流。因此，同功率情況下IGBT的數(shù)量要明顯多于可控硅。按現(xiàn)在國際市場行情， 大電流IGBT器件的價(jià)格要明顯高于二個(gè)一半電流IGBT器件價(jià)格之和，所以大功率的IGBT半橋串聯(lián)逆變固體電源的價(jià)格與SCRir橋并聯(lián)逆變固體電源相比差距會更大。綜上所述，將上述二種固體電源的主要性能比較總結(jié)于表1。3 .電爐的性能比較3.1 電效率按照感應(yīng)電爐的設(shè)計(jì)計(jì)算公式，感應(yīng)器一爐料系統(tǒng)的電效率可由下式計(jì)算。刀=p 2 - R2/R0其中T - 電效率P -感應(yīng)器一爐料系統(tǒng)的偶合系數(shù)R2 -爐料的電阻R0 -感應(yīng)器一爐料系統(tǒng)的單匝折合電阻從上式可見，感應(yīng)電爐的電效率僅取決與感應(yīng)器一爐料系統(tǒng)自身，與固體電源的輸

21、出電壓或逆變型式無關(guān)。設(shè)計(jì)良好的感應(yīng)電爐的電效率通?？梢赃_(dá)到75 %以上。表1二種固體電源的主要性能比較比較項(xiàng)目SCR全橋并聯(lián)逆變固體電源IGBT半橋串聯(lián)逆變固體電源產(chǎn)品規(guī)格 160 3000 kW50 1800 kW電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)額定功率時(shí)接近于1功率減小時(shí)功率因數(shù)降低始終接近于1諧波干擾相同相同變換效率中功率時(shí)相同大功率時(shí)略低中功率時(shí)相同大功率時(shí)略高負(fù)載適應(yīng)范圍一般寬廣恒功率能力冷料啟動(dòng)后功率較低；改進(jìn)逆變控制后可接近恒功率運(yùn)行，但控制技術(shù)復(fù)雜整個(gè) 熔化過程中始終恒功率運(yùn)行，控制簡單工作頻率范圍高至2500 Hz主要用于感應(yīng)熔化最高可達(dá) 100 kHz適用于感應(yīng)熔化，保溫，透熱和淬火工作穩(wěn)

22、定性高。中頻電流自成回路，觸發(fā)可控硅必須有一定的電流，抗干擾能力強(qiáng)較高。中 蛆電流必須通過IGBT構(gòu)成回路，IGBT是電壓控制器件，有干擾電壓就可能誤觸發(fā)IGBT器件過流容量和過流保護(hù)過流容量大，保護(hù)電路簡單過流容量小，保護(hù)電路復(fù)雜，技術(shù)要求 高配置電源變壓器的余量要求較大。1000 kW的固體電源一般需要配 1250 kVA的變壓器小，1000 kW的固體電源只需要配 1100 kVA的變壓器雙向供電不能可以設(shè)備價(jià)格低通常高20 30%備件價(jià)格低高3.2 感應(yīng)線圈的絕緣性能SCRir橋并聯(lián)逆變固體電源的額定輸出電壓一般控制在2000 V以內(nèi)，所以它對感應(yīng)線圈的表層絕緣沒有特殊的要求。而IGB

23、T半橋串聯(lián)逆變固體電源為了減小通過IGBT的電流，一般將額定輸出電壓定的較高，通常在 3000 V等級。這個(gè)電壓等級要求感應(yīng)線圈具有比較高的絕緣性能。 這對制造廠通常不是問題， 但在使用中如果感應(yīng)線圈表面的絕緣破損，會增加用戶維修的復(fù)雜程4 .配套選用原則綜上所述，IGBT中頻感應(yīng)電爐的優(yōu)點(diǎn)是恒功率輸出，熔化速度快，能耗低，并且功率因數(shù) 始終接近于1。可控硅中頻感應(yīng)電爐的優(yōu)點(diǎn)是在能耗略高的基礎(chǔ)上，設(shè)備造價(jià)低，工作穩(wěn)定可靠,并且零配件的價(jià)格較低。用戶在選型時(shí)應(yīng)根據(jù)具體需要決定。4.1 配套于感應(yīng)熔化電爐當(dāng)電爐的功率在1500 kW以下時(shí)，如果需要高性能，能耗低，可以選擇IGBT中頻感應(yīng)電爐。如果

24、要求低價(jià)格，則可選擇 SCRir橋中頻感應(yīng)電爐。當(dāng)電爐的功率在 1500 kW以上時(shí)，通常應(yīng)該 選擇SCRir橋中頻感應(yīng)電爐，它具有更高的穩(wěn)定性和可靠性。對于熔化電爐而言，因?yàn)殡姞t經(jīng)常 工作在滿功率狀態(tài)，所以功率因數(shù)已不是主要問題。如果需要雙向供電，功率共享型電爐，則只能選擇IGBT中頻感應(yīng)電爐，只有二個(gè)串聯(lián)逆變?nèi)趴梢怨灿靡粋€(gè)整流器，實(shí)現(xiàn)功率共享。4.2 配套于感應(yīng)保溫電爐保溫電爐的特點(diǎn)是爐內(nèi)的存料量經(jīng)常發(fā)生變化，時(shí)多時(shí)少。這就要求經(jīng)常調(diào)節(jié)保溫功率。在 這種情況下應(yīng)選擇IGBT中頻感應(yīng)電爐，它的電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)始終接近于1,而與輸出功率無關(guān)。這樣長期連續(xù)工作時(shí)可以減少供電線路和電源變壓器的損耗

25、。4.3 配套于透熱爐或表面淬火感應(yīng)電爐這二種電爐都應(yīng)選擇IGBT串聯(lián)逆變固體電源。透熱爐需要頻繁啟動(dòng)，并且還需要恒定輸出 功率以保證工件的溫度。 小直徑的透熱爐和表面淬火電爐除了需要頻繁啟動(dòng)外，更需要高的工作蛆率，這些要求只能由IGBT完成。各種電爐與二種固體電源配套原則總結(jié)見下表2。表2二種固體電源適用范圍電爐類型固體電源類型優(yōu)點(diǎn)中小功率熔化爐IGBT串聯(lián)逆變固體電源高性能SCRir橋并聯(lián)逆變固體電源低價(jià)格大功率熔化爐SCRir橋并聯(lián)逆變固體電源高可靠性DX型雙向供電電爐IGBT串聯(lián)逆變固體電源無其他選擇保溫電爐IGBT串聯(lián)逆變固體電源高功率因數(shù)隨著電力電子器件的發(fā)展。特別是VDMOS（垂

26、直溝道MOSS也可稱功率場效應(yīng)管） 和IGBT（隔離柵雙極晶體管）的發(fā)展和成熟，使得采用開關(guān)式發(fā)生器成為可能，實(shí)際上 開關(guān)型發(fā)生器的發(fā)展是開關(guān)電源的成果之一，下面著重討論晶體管開關(guān)型發(fā)生器.開關(guān)型發(fā)生器的原理是通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的占空比 （或?qū)У琅c截止時(shí)間）采控制 輸出的功率。由于晶體管在截止和飽和導(dǎo)通時(shí)的功耗很小，因此這種開關(guān)型發(fā)生器的 特點(diǎn)是：（1）功耗低，效率高：開關(guān)管在開關(guān)瞬時(shí)的功耗較大，但時(shí)間很短，在截止或 導(dǎo)道時(shí)的功耗很小.時(shí)間較長，因此總的功耗較小，而且基本恒定.最高效率可以達(dá) 到90%以上.2）體積小.重量輕：由于效率高，功耗低.使得散熱要求較低，而且各個(gè)開 關(guān)管可以推動(dòng)的功率較大

27、，加上直流電源直接變換使用，不需電源變壓器降壓，因此 它的體積較小，重量輕，單位功率所占的體積和重量值較小.（3）可靠性好.與微處理器等配合較容易，電子器件在工作時(shí)的溫升較低，工 作就可靠，加上全數(shù)字（開關(guān)）輸出，可用微處理器直接控制.3 4三種類型發(fā)生器主要性能特點(diǎn)（見表1）4 .開關(guān)型發(fā)生器發(fā)展的幾個(gè)過程開關(guān)型發(fā)生器的發(fā)展其實(shí)與開關(guān)型電源的發(fā)展息息相關(guān)，而開關(guān)型電源發(fā)展又與電力電子開關(guān)器件的發(fā)展緊密相連，電力電子開關(guān)器件的發(fā)展過程如下（見表2）:表2電力電子開關(guān)器件的發(fā)展過程20世紀(jì)50年代20世紀(jì)60年代20世紀(jì)70年代20世紀(jì)80年代20世紀(jì)90可控硅SCR（晶閘管） 快速晶閘管 可關(guān)

28、斷晶閘管1高壓GTR5 IGCT6 MCT（MOSft 閘管）大功率，大容量，高性能，省吸收與IGBT結(jié)合，優(yōu)勢互補(bǔ)電力晶體管GTR 1 IGBT絕緣柵晶體管2 功率 MOS 1 高速 IGBT, WARP-SPEED2低電荷功率 MOSFET第一種型式是用雙極開關(guān)晶體管（雙極型開關(guān)晶體管）作為開關(guān)電源的開關(guān)管， 它的主要缺點(diǎn)是由于雙極開關(guān)管的上升、下降時(shí)延較大，開關(guān)頻率不能太高（一般在20KHz以下）.線路成熟，價(jià)格低.在開關(guān)電源場合還有很多應(yīng)用，但在超聲波發(fā)生器 中由于開關(guān)頻率表2電力電子開關(guān)器件的發(fā)展過程低，沒有太大的應(yīng)用.第二種型式是用 VDMOS （垂直溝道MOSs或稱功率 MOST

29、）, VDMOS也有 幾代的發(fā)展，其主要優(yōu)點(diǎn)是：開關(guān)頻率高（可達(dá)1MHz）驅(qū)動(dòng)簡單（電壓型驅(qū)動(dòng)），抗擊 穿性妤（沒有雪崩效應(yīng)），缺點(diǎn)是耐高壓的器件，導(dǎo)通電阻大.在高壓大電流場合功耗 較大，因此大功率（1 500W以上）有些困難，但隨著VDMOS藝不斷改進(jìn)輸出功率也越 來越大。在超聲波中可以用于100kHz以上的發(fā)生器.第三種型式是IGBT（隔離柵雙極管），是一種MOST雙極管結(jié)合的產(chǎn)物，既有 MOST開關(guān)頻率高，驅(qū)動(dòng)簡單等優(yōu)點(diǎn)，也有雙極管導(dǎo)通壓降小，耐壓高等優(yōu)點(diǎn).它的開 關(guān)頻率日前可以在4050KHz,功率可以達(dá)到5000必 在一般超聲波發(fā)生器中可以很少 的運(yùn)用，它的價(jià)格較高，保護(hù)線路要求復(fù)雜

30、。它們之間的比較可用表3來說明。表三 三種形式電力電子開關(guān)器件的比較項(xiàng)目類型雙極開關(guān)管VDMOS IGBT線路方式簡單已成熟，一般復(fù)雜頻率 低（20KHN 高（100KHZ 以上 中（20-50KHz）耐壓高低高驅(qū)動(dòng)方式電流型（復(fù)雜） 電壓型（簡單） 電壓型（簡單）在發(fā)生器中應(yīng)用 不用在小功率（1500W以下）或高頻率（100KHz以上）應(yīng)用 大功率（1500W以上），和一般頻率（40KHz以下應(yīng)用造價(jià)低中高電力電子器件經(jīng)歷了工頻，低頻，中頻到高頻的發(fā)展歷程，與此相對應(yīng)，電力電子電路的控制也從最初以相位控制為手段的由分立元件組成的控制電路發(fā)展到集 成控制器.再到如今的旨在實(shí)現(xiàn)高頻開關(guān)的計(jì)算機(jī)控

31、制，并向著更高頻率，更低損耗 和全數(shù)字化的方向發(fā)展.模擬控制電路存在控制精度低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、參數(shù)整定不方便、溫度漂移嚴(yán)重， 容易老化等缺點(diǎn).專用模擬集成控制芯片的出現(xiàn)大大簡化了電力電子電路的控制線路。 提高了控制信號的開關(guān)頻率，只需外接若干阻容元件即可直接構(gòu)成具有校正環(huán)節(jié)的模 擬調(diào)節(jié)器，提高了電路的可靠性。但是，也正是由于阻容元件的存在，模擬控制電路 的固有缺陷，如元件參數(shù)的精度和一致性、元件老化等問題仍然存在.止匕外，模擬集 成控制芯片還存在功耗較大、集成度低、控制不夠靈活，通用性不強(qiáng)等問題.用數(shù)字化控制代替模擬控制，可以消除溫度漂移等常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器難以克服的 缺點(diǎn)，有利于參數(shù)整定和變參數(shù)調(diào)

32、節(jié)，便于通過程序軟件的改變方便地調(diào)整控制方案和實(shí)現(xiàn)多種新型控制策略，同時(shí)可減少元器件的數(shù)目、簡化硬件結(jié)構(gòu)，從而提高系統(tǒng) 的可靠性.止匕外.還可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)儲存和故障自動(dòng)診斷，有助于實(shí)現(xiàn)電力 電子裝置運(yùn)行的智能化不間斷電源的兩大基本作用為：1 .平時(shí)向負(fù)載提供高質(zhì)量的電源，達(dá)到穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、抑制浪涌、尖峰、電噪音，補(bǔ)償 電壓下陷、長期低壓等電源干擾。2 .斷電時(shí)不中斷供電，利用電池的儲能將直流逆變?yōu)榻涣?，向?fù)載提供高質(zhì)量的電源 繼續(xù)支持負(fù)載。UPS©容量可分為小功率（5KVA及以下容量），中功率（5K-30KVA）,大功率（30KVA以上容量）。 根據(jù)UPS的電路拓?fù)浜凸ぷ髟恚?/p>

33、UPW多種形式，可大致分為三類：后備式、在線互動(dòng)式、雙變換式。后備式（Off-line） 、運(yùn)行原理：市電正常時(shí)，它向負(fù)載提供的電源是對市電電壓稍加穩(wěn)壓處理的“低質(zhì)量” 正弦波電源，逆變器不工作，蓄電池由獨(dú)立的充電器充電。當(dāng)市電超出規(guī)定范圍時(shí)，負(fù)載由繼 電器轉(zhuǎn)為電池逆變供電在線交互式或三端口式 （Line-interactive） 、運(yùn)行原理：UPS+有一個(gè)雙向變換器（bidirectional converter ）,既可以當(dāng)逆變器 使用，又可作為充電器。所謂在線是指輸入市電正常時(shí)逆變器處于熱備份狀態(tài)而作為充電器給 電池充電。在線式（On-line）運(yùn)行原理：不管電網(wǎng)電壓是否正常，負(fù)載所用的

34、交流電壓都要經(jīng)過逆變電路，即逆變 電路始終處于工作狀態(tài)。所謂雙變換是指UPS正常工作時(shí)，電能經(jīng)過了 AC/DC DC/AC兩次變換供給負(fù)載（圖3由UPS的結(jié)構(gòu)可以看到，無論什么25構(gòu)形式，整流器都是UPS必不可少的組成部分。在六十年代和七十年代，大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應(yīng)用得以很大發(fā)展，與之相適應(yīng)的 的就是產(chǎn)生了 6脈沖整流技術(shù)，6脈沖整流器簡單可靠，大功率硅整流器能夠高效率地把工頻 交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?。電池直接掛在直流母線上，當(dāng)輸入市電正常時(shí)，靠整流可控硅的調(diào)節(jié)對 電池充電，同時(shí)為 GTR IGBT結(jié)構(gòu)的橋式逆變器供電，逆變器將直流逆變?yōu)榻涣?，最后?jīng)過 輸出變壓器的升壓及濾波，提供純正

35、的交流輸出。從其結(jié)構(gòu)中可以看出，可控硅整流是為了提 供恒定的直流電壓而采取的一種整流方式（可通過可控整流的導(dǎo)通角調(diào)整來適應(yīng)輸入電壓變 化，確保輸入交流電壓變化時(shí)整流輸出直流電壓的恒定），由于可控硅整流只能斬掉一部分輸 入電，所以其恒定輸出電壓的代價(jià)是將輸出電壓恒定在底于全波整流輸出電壓的某個(gè)數(shù)值上 （圖 4）?？煽毓枵鞯淖畲笕秉c(diǎn)就是對電網(wǎng)的干擾問題，由于輸入斬波產(chǎn)生的回潰污染。例如，UPS的輸入端AC/DC整流電路中采用的是六脈沖整流技術(shù)時(shí)，輸入的功率因數(shù)只有 0.660.8,與負(fù)載量成反比，形成的總諧波分量達(dá)30%fe右，特別是中大功率 UPS大量的諧波電流會注入電網(wǎng)，造成電壓畸變，電能質(zhì)

36、量下降，給電力系統(tǒng)發(fā)、供、用設(shè)備帶來嚴(yán)重危害。這樣傳統(tǒng)的UPS在投運(yùn)時(shí)，將向電網(wǎng)注入大量的諧波電流，引起諧波損耗和干擾，同時(shí)還出現(xiàn)裝 置網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)惡化的現(xiàn)象，即所謂“電力公害”。諧波電流不僅污染電網(wǎng)，而首先受到污染的是系統(tǒng)本身。再者，由于它的輸入功率因數(shù)低，輸入無功功率大，要求系統(tǒng)配電容量和系統(tǒng) 中其他設(shè)備的功率容量都要增大 50%這將使得電網(wǎng)的電壓波形受到干擾，電網(wǎng)配線的載荷能 力下降，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致該線路供電系統(tǒng)的震蕩或者其他設(shè)備工作異常。高次諧波還消耗大量 無功功率，增大線路的的損耗，引起電子保護(hù)裝置的誤動(dòng)作，使電機(jī)會產(chǎn)生附加力矩和附加損 耗，影響儀器、儀表的計(jì)量準(zhǔn)確度，對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，

37、通信系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾現(xiàn)象等。使用IGBT整流技術(shù)UPS呆護(hù)是雙向的，即保護(hù)負(fù)載，也保護(hù)電網(wǎng)。各種用電設(shè)備及電源裝 置產(chǎn)生的諧波電流都會污染電網(wǎng)，計(jì)算機(jī)負(fù)載也是非線性用電方式的設(shè)備，也會產(chǎn)生電網(wǎng)諧波 污染和無功功率。使用IGBT整流技術(shù)的UPSUP除了可以降低自身對電網(wǎng)的污染外，還可以消 除所帶負(fù)載對電網(wǎng)諧波污染和校正功率因數(shù)。采用IGBT整流技技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)讓用戶在 UPS后端感到UP巡供是純凈的正弦波，讓電網(wǎng)在前端感到 UPS及所帶的負(fù)載組是低諧波的近似阻性 負(fù)載這樣一個(gè)理想的目標(biāo)。目前，采用IGBT整流技術(shù)的UPS已有產(chǎn)品進(jìn)入中國，同早期 UPS逆變器的PW瞰術(shù)逐漸替代 方波技術(shù)時(shí)的情景很類

38、似。采用 IGBT整流技術(shù)的UPS也存在價(jià)格高，大功率元件生產(chǎn)困難， 成品率低。該技術(shù)也有先在中小功率的UPS上實(shí)現(xiàn)，逐步向大功率過渡的特點(diǎn)。我們有理由相信，隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，這種技術(shù)先進(jìn)，環(huán)保節(jié)能的UP/越來越普及，我們期待著這一天。1個(gè)人筆笠2008-3-3 9:13:57IP:保密zhonglong863等級：騎士權(quán)限：版主積分:362金錢:381聲望:4經(jīng)驗(yàn):218發(fā)帖數(shù):218注冊時(shí)問:2007-12-21編輯刪除引用第6樓可控硅是硅可控整流元件的簡稱，亦稱為晶閘管。具有體積小、結(jié)構(gòu)相對簡單、功能強(qiáng)等特點(diǎn),是比較常用的半導(dǎo)體器件之一。該器件被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備和電子產(chǎn)品中，多用

39、來作可 控整流、逆變、變頻、調(diào)壓、無觸點(diǎn)開關(guān)等。家用電器中的調(diào)光燈、調(diào)速風(fēng)扇、空調(diào)機(jī)、電視 機(jī)、電冰箱、洗衣機(jī)、照相機(jī)、組合音響、聲光電路、定時(shí)控制器、玩具裝置、無線電遙控、 攝像機(jī)及工業(yè)控制等都大量使用了可控硅器件。二、可控硅的用途可控硅被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備和電子產(chǎn)品中，多用來作可控整流、逆變、變頻、 調(diào)壓、無觸點(diǎn)開關(guān)等。家用電器中的調(diào)光燈、調(diào)速風(fēng)扇、空調(diào)機(jī)、電視機(jī)、電冰箱、洗衣機(jī)、 照相機(jī)、組合音響、聲光電路、定時(shí)控制器、玩具裝置、無線電遙控、攝像機(jī)及工業(yè)控制等都 大量使用了可控硅器件。三、可控硅的優(yōu)點(diǎn)可控硅具有耐壓高、容量大、效率高、可控制等優(yōu)點(diǎn)。四、可控硅的分類按其工作特性，可控硅

40、（THYRISTORI分為普通可控硅（SCR即單向可控硅、雙向可 控硅（TRIAC）和其它特殊可控硅。五、主要參數(shù)可控硅的主要參數(shù)：1額定通態(tài)電流（IT）即最大穩(wěn)定工作電流，俗稱電流。常用可控硅的IT 一般為一安到幾十安。2反向重復(fù)峰值電壓（VRRM或斷態(tài)重復(fù)峰值電壓（VDRM ,俗稱耐壓。常用可控硅的 VRRM/VDRM般為幾百伏到一千伏。3控制極觸發(fā)電流（IGT）,俗稱觸發(fā)電流。常用可控硅的IGT 一般為幾十微安到幾十毫安。六、封裝形式常用可控硅的封裝形式有 TO-92、TO-126、TO-202AB TO-220、TO-220AB TO-3P、SOT-8a TO-251、TO-252 等

41、。七、主要廠家主要廠家：ST PHILIPS、MOTOROLANEC MITSUBISHI TOSHIBA TECCORSANKEN§ 1.整流元件（品閘管）簡單地說：整流器是把單相或三相正弦交流電流通過整流元件變成平穩(wěn)的可調(diào)的單方 向的直流電流。其實(shí)現(xiàn)條件主要是依靠整流管，晶閘管等元件通過整流來實(shí)現(xiàn).除此之 外整流器件還有很多，如：可關(guān)斷晶閘管GTO逆導(dǎo)晶閘管，雙向晶閘管，整流模塊，功率 模塊IGBT,SIT,MOSFE侍等，這里只探討品閘管.品閘管又名可控硅，通常人們都叫可控硅.是一種功率半導(dǎo)體器件，由于它效率高，控制 特性好，壽命長，體積小等優(yōu)點(diǎn)，自上個(gè)世紀(jì)六十長代以來，獲得了

42、迅猛發(fā)展，并已形成 了一門獨(dú)立的學(xué)科.“品閘管交流技術(shù)”。品閘管發(fā)展到今天，在工藝上已經(jīng)非常成熟，品質(zhì)更好，成品率大幅提高，并向高壓大電流發(fā)展。目前國內(nèi)品閘管最大額定電 流可達(dá)5000A國外更大。我國的韶山電力機(jī)車上裝載的都是我國自行研制的大功率晶 閘管。品閘管的應(yīng)用：一、可控整流如同二極管整流一樣，可以把交流整流為直流，并且在交流電壓不變的情況下，方便 地控制直流輸出電壓的大小即可控整流，實(shí)現(xiàn)交流一一可變直流二、交流調(diào)壓與調(diào)功利用品閘管的開關(guān)特性代替老式的接觸調(diào)壓器、感應(yīng)調(diào)壓器和飽和電抗器調(diào)壓。為了 消除品閘管交流調(diào)壓產(chǎn)生的高次諧波，出現(xiàn)了一種過零觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載交流功率的無 級調(diào)節(jié)即品閘管調(diào)

43、功器。交流一一可變交流。三、逆變與變頻直流輸電：將三相高壓交流整流為高壓直流，由高壓直流遠(yuǎn)距離輸送以減少損耗，增 加電力網(wǎng)的穩(wěn)定，然后由逆變器將直流高壓逆變?yōu)?50HZ三相交流。直流交流 中頻加熱和交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速、用激調(diào)速等變頻，交流一一頻率可變交流四、斬波調(diào)壓（脈沖調(diào)壓）三波調(diào)壓是直流一一可變直流之間的變換，用在城市電車、電氣機(jī)車、電瓶搬運(yùn)車、 鏟車（叉車）、電氣汽車等，高頻電源用于電火花加工。五、無觸點(diǎn)功率靜態(tài)開關(guān)（固態(tài)開關(guān)）作為功率開關(guān)元件，代替接觸器、繼電器用于開關(guān)頻率很高的場合品閘管導(dǎo)通條件：品閘管加上正向陽極電壓后，門極加上適當(dāng)正向門極電壓，使晶閘管導(dǎo)通過程稱為觸 發(fā)。品閘管

44、一旦觸發(fā)導(dǎo)通后，門極就對它失去控制作用，通常在門極上只要加上一個(gè) 正向脈沖電壓即可，稱為觸發(fā)電壓。門極在一定條件下可以觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，但無法 使其關(guān)斷。要使導(dǎo)通的晶閘管恢復(fù)阻斷，可降低陽極電壓，或增大負(fù)載電阻，使流過 品閘管的陽極電流減小至維持電流（IH）（當(dāng)門極斷開時(shí)，晶閘管從較大的通態(tài)電流 降至剛好能保持品閘管導(dǎo)通所需的最小陽極電流叫維持電流），電流會突然降到零， 之后再提高電壓或減小負(fù)載電阻，電流不會再增大，說明品閘管已恢復(fù)阻斷。根據(jù)晶閘管陽極伏安特性，可以總結(jié)出：1 .門極斷開時(shí)，晶閘管的正向漏電流比一般硅二極管反向漏電流大，且隨著管子正向 陽極電壓升高而增大。當(dāng)陽極電壓升到足夠大時(shí)，

45、會使晶閘管導(dǎo)通，稱為正向轉(zhuǎn)折或 “硬開通”。多次硬開通會損壞管子。2 .晶閘管加上正向陽極電壓后，還必須加上觸發(fā)電壓，并產(chǎn)生足夠的觸發(fā)電流，才能 使晶閘管從阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。觸發(fā)電流不夠時(shí)，管子不會導(dǎo)通，但此時(shí)正向漏電流隨著 增大而顯著增大。晶閘管只能穩(wěn)定工作在關(guān)斷和導(dǎo)通兩個(gè)狀態(tài)，沒有中間狀態(tài)，具有 雙穩(wěn)開關(guān)特性。是一種理想的無觸點(diǎn)功率開關(guān)元件。3 .晶閘管一旦觸發(fā)導(dǎo)通，門極完全失去控制作用。要關(guān)斷晶閘管，必須使陽極電流<維持電流，對于電阻負(fù)載，只要使管子陽極電壓降為零即可。為了保證品閘管可靠迅 速關(guān)斷，通常在管子陽極電壓互降為零后，加上一定時(shí)間的反向電壓。品閘管主要特性參數(shù)1 .正反向重復(fù)

46、峰值電壓一一額定電壓（VDRM VRRM取其小者）2 .額定通態(tài)平均電流IT （AV額定電流（正弦半波平均值）3 .門極觸發(fā)電流IGT,門極觸發(fā)電壓UGT (受溫度變化)4 .通態(tài)平均電壓UT (AM即管壓降5 .維持電流IH與掣住電流IL6 .開通與關(guān)斷時(shí)間品閘管合格證基本參數(shù)IT (AV) = A (TC=C) 通態(tài)平均電流VTM= V 通態(tài)峰值電壓VDRM = V 斷態(tài)正向重復(fù)峰值電壓IDRM= mA 斷態(tài)重復(fù)峰值電流VRRM= V 反向重復(fù)峰值電壓IRRM = mA 反向重復(fù)峰值電流IGT = mA 門極觸發(fā)電流VGT= V 門極觸發(fā)電壓執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：QB-02-09品閘管的選擇：品閘管的過載能力差，根據(jù)實(shí)際最大電流還要乘以 1.53倍，即電流裕量。通常按平 均電流IT (AM選取，額定電流的有效值ITe (即均方根值)為平均電流的1.57倍 波形系數(shù) Kf=Ite/IT (AM =1.57額定電壓應(yīng)取實(shí)際工作時(shí)的可能最大電壓23倍，即電壓裕量。同時(shí)還要加上必要的保護(hù)措施。門極觸發(fā)電流：幾十個(gè) mA九百mA離開這個(gè)范圍可能誤觸發(fā)或難觸發(fā)門極觸發(fā)電壓：3V左右臺面有凹臺和凸臺之分，散熱器與此有關(guān)7 2.主電路型式及多相整流一.單相1 .單相半波可控整流電