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2.10 电力电子器件的串并联

对于大型的电力电子装置,当单个器件的电压或电流额定值满足不了要求,或者考虑降低装置的成本时,需要将几个电力电子器件串联或并联起来使用。由于各个器件之间在静、动态特性方面难免会存在一定的差异,它们串、并联组合在一起应用时,就会因这些差异导致某些器件的损坏,因此,需要采取一定措施加以保护。下面以晶闸管为例介绍器件的串并联问题。

2.10.1 器件的串联与均压

当单个器件的额定电压小于实际需要时,可以用多个同型号的器件相串联起来。理想的串联希望各器件承受的电压相等,但实际上因器件特性的分散性,即使是标称定额相同的器件之间,其特性也会存在差异,一般都会存在电压分配不均匀的问题。

如图2-34所示,两个同型号的晶闸管串联后,在正、反向阻断时,各器件虽然流过相同的漏电流,但由于器件特性的分散性,各器件所承受的电压却不相等。图2-34a表示两个正向阻断特性不同的晶闸管,在同一个漏电流 I R 情况下,它们所承受的正向电压相差甚远。若外加电压继续升高,则承受电压高的器件将首先达到转折电压而导通,使另一个器件承担全部电压也导通,两个器件都失去控制作用。同理,反向时,因伏安特性不同而不均压,可能使其中一个器件先反向击穿,另一个随之击穿。这种由于器件静态特性不同而造成的均压问题称为静态不均压问题。

解决静态不均压问题,首先应选择特性和参数比较一致的器件,此外可采用每个器件并联电阻来均压,如图2-34b中的 R P R P 的阻值应比任何一个器件阻断时的正、反向电阻小得多,这样才能使每个晶闸管分担的电压取决于均压电阻的分压。但 R P 值过小会产生损耗过大的问题, R P 数值一般按式(2-20)计算

式中, U R 为晶闸管的额定电压; I DRM 为断态重复峰值电流。

图2-34 晶闸管的串联

均压电阻功率可按式(2-21)估算

式中, U m 为器件承受的正反向峰值电压; n s 为串联的元件数; K RP 为系数,单相取0.25,三相取0.45,直流取1。

上述的均压电阻 R P 只能在静态时起作用,而在动态过程中,瞬时电压的分配取决于各管的结电容、触发特性和开关时间等因素。导通时后导通的器件瞬时承受高压,而关断时先关断的器件瞬时承受高反向电压。为了使各器件在开关过程均压,应在晶闸管两端并联电容 C 。同时,为了防止器件导通瞬时电容放电引起d i /d t 过大损坏晶闸管,应在电容支路串入一个电阻,如图2-34中的 R C 所示。在动态过程中实现的均压称为动态均压,此外,动态均压还能在器件关断时起到过电压保护的作用。动态均压的阻容值一般根据经验选取,见表2-1。

表2-1 动态均压的阻容经验数据

晶闸管采取均压措施后,为保证更加安全,其必须降低额定值使用。选择晶闸管的额定电压,一般按照式(2-22)计算

2.10.2 器件的并联与均流

当单个器件的额定电流小于实际需要时,可以将多个同型号的器件相并联起来。两个同型号的晶闸管并联后,在开通时,各器件虽然管压降相同,但由于器件特性的分散性,各器件所流过的电流却不相等。图2-35a表示两个正向阻断特性不同的晶闸管,在同一个压降 U T 的情况下,它们所流过的电流相差甚远。流过电流大的器件有可能超过额定电流值造成损坏,继而也可能损坏另外的器件。这是由于器件静态不均流造成的,称此为静态不均流问题。解决静态不均流问题,首先应选择特性和参数比较一致的器件,此外可采用每个器件支路串联电阻或电感来均流。

在动态过程中,也会产生不均流问题,称为动态不均流。解决方法是在器件支路中串入电感,如图2-35b所示。电路采用一个具有两个相同线圈但极性相反的电抗器接在两个并联晶闸管电路中。当两个器件中电流均衡时,均衡电抗器两线圈流过相等的电流。由于线圈极性相反,铁心内励磁安匝互相抵消,电抗器不起作用。当电流不等时,线圈相差的励磁安匝在两线圈中产生感应电动势,在两并联器件回路中形成环流。此环流正好使电流小的器件支路电流增大,而电流大的支路电流减小,直到两回路电流相等为止,从而达到均流的目的。

图2-35 晶闸管的并联

电感均流的优点是损耗小,适合大容量器件并联,同时电感能抑制d i /d t 上升率。缺点是体积大、笨重和制作不方便。均流电抗器有空心、铁心或套在晶闸管引线上的磁环等多种形式,其中应用空心电感最为普遍。因其接线简单,且有限制d i /d t 和d u /d t 的作用。

晶闸管并联与串联一样,也必须降低电流的额定值使用。选择晶闸管的额定电流,一般按照式(2-23)计算

式中, I T 为电路中流过的电流有效值; n p 为并联器件数。

晶闸管串、并联后,要求器件导通时间和关断时间差别要小。要求触发脉冲前沿陡、幅值大,以便串、并联的晶闸管尽可能同时导通或关断。在电力电子装置同时需要器件串、并联时,一般采取先串后并的方式。 kjFE1jMVqde2cmR+QOGpBCam31v3us2KYIc3it3UaZ2Aj0/wNuJyPDJfknsi7tlq

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