变流器均流系数的温度特性

第37卷第2期 2003年 4月 电力电子技术 Power Electronics Vo1．37，No．2 April，2003 变流器均流系数的温度特性 杨 文焕 (上海理工大学，上海 200031) 摘要 ：在分析晶闸管正向导通压降的温度特性基础上，对不同温度下变流器均流系数 Ki 做了分析、计算和试 验。结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明：变流器均流系数随温度的升高而升高，为变流器的使用和试验提供了科学依据。 关键词：晶闸管 ；变流器／温度特性；均流系数 中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：1000—100X(2003}02—0075—04 The Temperature Behavior of Current Balance Coefficient for Converter YANG W en—huan 【Shanghai Universityfor Science and Technology。Shanghai 200031。China) Abstract：Based on the analysis of temperature behavior of forward conduction voltage drop for a thyristors-the cur· rent balance coefficient Kim“【CBC K_曲“)of a converters are calculated and tested．Results show that CBC Kim“of the coverter iS incrsasing with the temperature．It provides a scientific hasis for the converter in the test and the operation． Keywords：thyristor；converter；temperature behavior；CBC Kim“ 1 引 言 变流器应用广泛，大功率变流器电力电子元件 通常采用串并联方式连接，以解决单管元件导通电 流不足和安全问题。并联元件之间的电流平衡程度 用均流系数 Ki 表示⋯，其值由下式计算： K = ㈩ 式中 Ji——各并联元件中的电流值 n — — 并联支路系数 J～ ——Ji中电流最大值 K； 是一个很重要的 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 。由于元件特性随 温度变化，_K 也随温度变化。因为对这一特性掌 握不够，在对 K； 进行测试时，要求变流器运行到 一 定温度，造成诸多浪费。通过对晶闸管正向压降 随温度变化的理论分析和试验研究。提出变流器 K 随温度变化的特性。它将为 K；仃m 测试设备的 改进提供科学依据，同时进一步了解了变流器在应 用中的情况，为研制新型测试台提供了理论依据。 2 晶闸管正向导通压降的温度特性 晶闸管正向导通压降 F由三部分组成，即结 压降 j、体压降 体和接触压降 。接触压降 与压装质量、加工工艺有关。由于材料和工艺的改 进， 在通态压降中所占的比例很小。假设其值 收稿日期：2002—09—20 定稿日期：2002—10—22 作者简介：杨文焕(1954一)，男。陕西西安人。教授，长期 从事电力电子技术与电机及控制、诊断的教 学与研究工作。 可以忽略，因而晶闸管通态压降主要由结压降 ； 和体压降 体组成。它们随温度的变化决定晶闸 管正向压降的温度特性。 2．1 结压降 yI与温度的关系 当通过晶闸管的电流密度为 ．，时，其 由下 式计算[ ： =A譬 n( +·) (2) 口 、．，s ， 式中 A——常数，与电流密度的大小有关。电流密度大时 其值较高 】 — — 电流密度 J。——常态饱和电流密度 K——玻尔兹曼常数 T——绝对温度 q——电子电荷量 J8=20011T exp{_gEg(丁)／K丁} (3) E (丁)=1．17—4．73×10一 T2／(T+636) (4) 图 1表示晶闸管正向电流为 125A和 250A时 所对应的 ；与温度之间的计算曲线。 25 45 65 85 105 125 图 1 结压降的计算曲线 由图 1可见，当 ．，不变时，晶闸管结压降 随 75 维普资讯 http://www.cqvip.com 第37卷第2期 2003年 4月 电力电子技术 Power Electronics Vo1．37，No．2 April。2003 温度的增加而降低。当温度不变时，电流增加，V； 增加。当温度由 25℃(298K)增至 125℃(398K)， 125A电流的 ；降低约为 0．237V，250A电流则为 0．302V。 2．2 体压降 y体与温度的关系 晶闸管 Nl型基区有高掺杂，有较大宽度 W，因 此晶闸管体压降主要是由 Nl型基区贡献的[4]，其 计算式为： VN1=舞 KT (w／2L)N1 b 2 exp(w／L expt ( +1)[1十 一 )]』 上 (5) 式中 b——电子与空穴的迁移率之比，b= ／t, w ——修正基区宽度 L——双极扩散长度 当温度升高时，由于热运动加剧(或掺杂浓度增 高)，造成载流子单位时间碰撞次数增加，使迁移率 下降。在载流子寿命不变的情况下，由散射引起的 扩散系数 D减小。即扩散长度 L=(Dr) ／2减小， W／L增大，体压降增大。设计晶闸管时，为降低体 压降，须(w／L)≤3。本算例中取 w／L=2．5。 由式(5)可见，VN1与电流大小无关，体现电导 的调制作用，但是大注入时 Nl还是和电流有关，这 是因为电导调制受到载流子之间散射的干扰，载流 子之间散射会引起压降 V印=jw／q~, 7l。然而在 晶闸管正向压降中 i》 Nl，而 Vpn《VNl，因此在 分析晶闸管正向导通压降与温度之间的关系时，可 以忽略 。 的影响。图2表示 VNl与温度之间的计 算曲线。 图 2 体压降的计算曲线 由图2可见，VNl随温度的升高而升高。当温 度从 25*(2升 至 125"(2时，VNl由 0．0932V 升 至 0．1245V。 2．3 正向导通压降与温度之关系 根据 2．1--2．2中的分析，正向导通压降 vF可 由下式计算： VF= i+VNl (6) 76 其正向压降 V 与温度计算曲线如图3所示。 图 3 正向压降计算曲线(125A，250A) 由图 3可见，当电流密度较低，导通电流不变 时，晶闸管正向导通压降随温度的升高而降低。温 升在 100℃，125A时正向导通压降降低了 0．206V， 250A时则降低了0．271V。两种电流状态下的正向 压降差值亦随温度的升高而减小，显然，温度升高可 使晶闸管特性差异缩小，这对提高均流系数很有利。 3 晶体管通态压降温度特性试验 3．1 不同温度下晶闸管通态伏安特性的测试 测试晶闸管在不同温度下的伏安特性的装置由 以下几部分组成：晶闸管温升由烘箱完成，为保证晶 闸管结温准确，每次升温后，延续一小时后试验，并 保证试验中烘箱内温度不变；晶闸管电流由一个大 电流发生器完成，可在 10ms内提供最高达 3300A 的正弦脉冲电流，以保证晶闸管试验电流波形和实 际使用情况相同 ；正向压降和 电流信号均由 Hp 数字示波器 自动 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 。不同电流下 KP600型晶闸 管 与温度的关系曲线如图4所示。 25 35 45 55 65 75 图4 KP600VF．T曲线 由图4可见，电流增加 增加。同一电流下， 温度越高正向压降越小。显然，温度不同，伏安特性 不同，在同一电压下，温度高通过的电流也大。 3．2 方程求取 根据试验数据，得 VF=，(T)方程如下 】： 维普资讯 http://www.cqvip.com 变流器均流 系数 的温度特性 500A(幅值)时： VF=1．2363+0．5×10一 T 一0．300×10一 T 700A时： VF=1．2840—1．5625×10一 T 一1．200×10一 T 1000A时： VF：1．3667—0．6177×10一 T 一0．7573×10一 T VF=f(Iv)方程如下 ： 25℃时 ： VF： 一0．084331niF+0．09086Ivt／ 一0 ．0009204IF 65℃时： VF= 一0．22451niF一0．2230Ivt／ +0 ． 00049811F 其 V =F(T)形式为： VF=a+6T+fT (7) 其 VF=F(Iv)形式为： VF：dlnlv+elf +glv (8) 上式中不同电流时 a，b，c不同，不同温度时 d， e，g不同。以上两个方程相关系数均达到 0．99以 上。剩余标准误差分别小于 0．00173和 0．0068。 均能较好反应通态压降与温度的关系和晶闸管伏安 特性。当变流器桥臂由多个元件串并联组成时，可 将支路内元件等效为一个元件计算。 4 变流器均流系数的温度特性 4．1 简单并联时的均流系数 为了便于分析，使用两只 KP600晶闸管组成并 联桥臂。由于元件特性的分散性，两晶闸管特性不 同。根据 KP600 I，KP600 II的伏安特性的试验曲 线可知，6512，1000A 时 FI=1．356V，VFⅡ= 1．344V。2512，1000A 时 VFI=1．420V，VFⅡ= 1．362V。室温时(25℃)，两元件压降相差 0．058V， 65℃时则为 0．012V。同一型号晶闸管，温度升高时 正向压降差别减小，这无疑会使均流系数增大。 如果变流器桥臂电流保持 2000A不变，并联后 两元件将有相同的压降，由元件伏安特性知，2512时 Ivi：900A，IvlI=ll00A，均流系数 K =0．93。 同理，6512时 jFI：980A，IvlI=1020A，均流系数 Ki =0．98。 可见，当温度升高时均流系数增大。在上例 并联电路中，温升为4012时均流系数约增大 0．05。 4．2 多管联接时的均流系数 多管连接的变流器桥臂，各支路伏安特性和最 大支路电流的伏安特性均由该支路元件等效而成。 Vv：F(j一 )表示最大支路电流的等效伏安特性， V =F(∑1／,)表示并联平均电流下的伏安特性。 当变流器桥臂通过额定 电流并不变时，即在相同 ∑1／,下，当温度升高后，变流器桥臂电压由 ．降 至 V 。则 VF=F(工一 )降低，最大支路电流减小， 使 Ki =(∑1／,)／ 增大。 根据变流器等效特性可以计算 25℃时均流系 数为：K．瑚 =(∑1／,)／j ，4512时均流系数 为 K i～ =(∑1／,)／1 一。利用图解或等效特性均可 解出 K i ，本文 用图解法解 得 Ki ／K i一 = j 一／j一 ：0．994。计算结果表明，在多元件串并 联组成的桥臂中，随着温度的升高，变流器的均流系 数增大，其增大的幅度与温升的高低有关。 4．3 温度分布对均流系数的影响 大功率变流器的晶闸管分别安装在不同的位 置，不采用强迫冷却时各晶闸管有不同的结温，其正 向压降因此而不同。例如 KP600 II晶闸管电流为 1000A时，温度每相差 1℃，正向压降相差 0．45mV。 显然，会引起均流系数变差。但是，当变流器采用强 迫冷却且冷却介质有相同温度时，晶闸管壳温基本 相同。如不考虑管壳传热引起的温度降，晶闸管结 温因温度差异而引起的均流系数变化，在工程应用 范围内认为是不大的。 5 试验结果 为了验证上述分析的正确性，笔者对 KP600和 ZP800组成的两串两并的桥臂(一个 KP600和一个 ZP800构成一条支路)的均流系数进行试验。测得 不同温度下 K|眦．fF曲线如图5所示。 图5 K ． 曲线 由图 5可见，随着温度升高，均流系数变大，电 77 维普资讯 http://www.cqvip.com 第37卷第2期 2003年 4月 电 力电子技 术 Power Electronics Vo1．37．No．2 April，2003 流增加均流系数增大。 6 结 论 (1)理论分析计算表明，晶闸管通态压降主要由 结压降和体压降组成。在电流不变时，结压降随温 度升高而降低，占通态压降主要部分。体压降随温 度升高而升高，占通态压降小部分。晶闸管通态压 降随温度的升高而降低。 (2)对两只KP600晶闸管在不同温度下通态压 降试验结果表明：电流不变，温度升高时通态压降降 低，与理论分析一致。 (3)分析计算还表明，电流不变时，变流器均流 系数随温度的升高而变大。均流系数变大的幅度与 温升的高低有关，温升高时均流系数增大的幅度大。 (4)对 KP600和 ZP800组成的两串两并桥臂的 试验表明：多个元件组成桥臂其均流系数随温度升 高而升高，升高的幅度与温升高低和电流大小有关， 电流不变时，温升增加均流系数变大；温度不变时， 桥臂电流增加均流系数增大，与理论分析一致。 (5)分析结果为变流器在室温下试验提供了科 学依据。 参考文献： [1] 赵叔东．韶山 8型电力机车[M]．北京：中国铁道出版 社，1991． [2] Menhart S，Hudgins J L，Pormoy W M．The Low Tem— perature Behavior of Thyristors[A]．PESC’90 Rec．21st Ann．IEEE Power Electron．Spec．Conf．[C]，1990 (6)：435 442． [3] Sze S M．Physics of Semiconductor Devices[M]．New York：W iley Interscience，2nd Ed．，1 986． [4] 清华大学工业 自动化系．大功率可控硅元件[M]．北 京：人民教育出版社，1975． [5] 王益成，苏文成．电力半导体器件中间测试技术[M]． 北京：机械工业出版社，1990． [6] 石振东，刘国庆．实验数据处理与曲线拟和[M]．哈尔 滨：哈尔滨船舶工程学院出版社，1991． (上接第74页) C=2200／~F)和20Q电阻负载的桥式整流电路。如 图7所示，应用重复PD控制后，输出电压的畸变大 大减小。图7为负载突变时的瞬态响应。 78 2 (a) ≤加lo0％负载 ^ ． ●●__。 ___●。 ●，__ ) 一 IA ， 一1I 孳 L⋯。_ _‘‘- l B f { Rd _ _ ⋯ ． j c硝 ， _ _ _ _ _ r，KBI饩 ： ‘ UY’)U盯璐 2)R m： 2V；so0~s (b)突减100％负载 图 7 突加、突减阻性负载时的响应 8 结 论 提出了一种应用于 CVCF逆变器的重复 PD控 制方法，该方法结合了重复控制和 PD控制的优点， 提高了系统的稳态精度和瞬态响应速度。实验结果 表明在线性和非线性负载条件下，该控制方法可使 输出电压的谐波畸变很小。并且具有良好的电压调 节能力。 参考文献： [1] Toshima,．qa Haneyoshi，Atsuo Kawamura。and Hoft R G． W aveform Compensation of PW M Inverter with Cyclic Fluctuating Loads[J]．IEEE Trans．Dn Power．Elec． tron．，1988，24(4)：582～589． [2] Zhang Kai，Kang Yong，Xiong Jian，Zhang Hui。Chen Jian． Repetitive Waveform Correction Technique for CVCFoSPWM Inverters[A]．IEEE PESC Conf．Rec． [C]，2000：153～158． [3] Duan Y，Jin H．Digital Controller Design f0r S tchmode Power Converters[A]．IEEE APEC Conf．Rec．[C]， 1999：967～973． 维普资讯 http://www.cqvip.com