IGBT与可控硅区别.doc

《IGBT与可控硅区别.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《IGBT与可控硅区别.doc（17页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流IGBT与可控硅区别随着电力电子器件的发展。特别是VDMOS管(垂直沟道MOS管，也可称功率场效应管)和IGBT(隔离栅双极晶体管)的发展和成熟，使得采用开关式发生器成为可能，实际上开关型发生器的发展是开关电源的成果之一，下面着重讨论晶体管开关型发生器 开关型发生器的原理是通过调节开关管的占空比(或导道与截止时间)采控制输出的功率。由于晶体管在截止和饱和导通时的功耗很小，因此这种开关型发生器的特点是： (1)功耗低，效率高：开关管在开关瞬时的功耗较大，但时间很短，在截止或导道时的功耗很小时间较长，因此总的功耗较小，而且基本恒定最高效率可以达到

2、90以上 2)体积小重量轻：由于效率高，功耗低使得散热要求较低，而且各个开关管可以推动的功率较大，加上直流电源直接变换使用，不需电源变压器降压，因此它的体积较小，重量轻，单位功率所占的体积和重量值较小 (3)可靠性好与微处理器等配合较容易，电子器件在工作时的温升较低，工作就可靠，加上全数字(开关)输出，可用微处理器直接控制 3 4三种类型发生器主要性能特点(见表1) 4开关型发生器发展的几个过程 开关型发生器的发展其实与开关型电源的发展息息相关，而开关型电源发展又与电力电子开关器件的发展紧密相连，电力电子开关器件的发展过程如下(见表2)： 表2 电力电子开关器件的发展过程 20世纪50年代 2

3、0世纪60年代 20世纪70年代 20世纪80年代 20世纪90年代 可控硅SCR（晶闸管） 快速晶闸管 可关断晶闸管 1高压GTR 2 IGCT 3 MCT(MOS晶闸管) 大功率，大容量，高性能，省吸收与IGBT结合，优势互补 电力晶体管GTR 1 IGBT绝缘栅晶体管 2 功率MOS 1 高速IGBT，WARP-SPEED 2 低电荷功率MOSFET 第一种型式是用双极开关晶体管(双极型开关晶体管)作为开关电源的开关管，它的主要缺点是由于双极开关管的上升、下降时延较大，开关频率不能太高(一般在20KHz以下)线路成熟，价格低在开关电源场合还有很多应用，但在超声波发生器中由于开关频率表2电

4、力电子开关器件的发展过程低，没有太大的应用 第二种型式是用VDMOS管(垂直沟道MOS管，或称功率MOS管)，VDMOS管也有几代的发展，其主要优点是：开关频率高(可达1MHz)，驱动简单(电压型驱动)，抗击穿性妤(没有雪崩效应)，缺点是耐高压的器件，导通电阻大在高压大电流场合功耗较大，因此大功率(1 500W以上)有些困难，但随着VDMOS工艺不断改进 输出功率也越来越大。在超声波中可以用于100kHz以上的发生器 第三种型式是IGBT(隔离栅双极管)，是一种MOS与双极管结合的产物，既有MOS管开关频率高，驱动简单等优点，也有双极管导通压降小，耐压高等优点它的开关频率日前可以在4050KH

5、z，功率可以达到5000w，在一般超声波发生器中可以很少的运用，它的价格较高，保护线路要求复杂。 它们之间的比较可用表3来说明。 表三 三种形式电力电子开关器件的比较 项目类型 双极开关管 VDMOS IGBT 线路方式 简单 已成熟,一般 复杂 频率 低（20KHz） 高（100KHz）以上 中（20-50KHz） 耐压 高 低 高 驱动方式 电流型（复杂） 电压型（简单） 电压型（简单） 在发生器中应用 不用 在小功率（1500W以下）或高频率（100KHz以上）应用 大功率（1500W以上），和一般频率（40KHz）以下应用 造价 低 中 高 电力电子器件经历了工频，低频，中频到高频的发

6、展历程，与此相对应， 电力电子电路的控制也从最初以相位控制为手段的由分立元件组成的控制电路发展到集成控制器再到如今的旨在实现高频开关的计算机控制，并向着更高频率，更低损耗和全数字化的方向发展 模拟控制电路存在控制精度低，动态响应慢、参数整定不方便、温度漂移严重，容易老化等缺点专用模拟集成控制芯片的出现大大简化了电力电子电路的控制线路。提高了控制信号的开关频率，只需外接若干阻容元件即可直接构成具有校正环节的模拟调节器，提高了电路的可靠性。但是，也正是由于阻容元件的存在，模拟控制电路的固有缺陷，如元件参数的精度和一致性、元件老化等问题仍然存在此外，模拟集成控制芯片还存在功耗较大、集成度低、控制不够

7、灵活，通用性不强等问题 用数字化控制代替模拟控制，可以消除温度漂移等常规模拟调节器难以克服的缺点，有利于参数整定和变参数调节，便于通过程序软件的改变方便地调整控制方案和实现多种新型控制策略，同时可减少元器件的数目、简化硬件结构，从而提高系统的可靠性此外还可以实现运行数据的自动储存和故障自动诊断，有助于实现电力电子装置运行的智能化 不间断电源的两大基本作用为： 1. 平时向负载提供高质量的电源，达到稳压、稳频、抑制浪涌、尖峰、电噪音，补偿电压下陷、长期低压等电源干扰。 2. 断电时不中断供电，利用电池的储能将直流逆变为交流，向负载提供高质量的电源继续支持负载。UPS按容量可分为小功率(5KVA及

8、以下容量)，中功率(5K-30KVA)，大功率(30KVA以上容量)。根据UPS的电路拓扑和工作原理，UPS有多种形式，可大致分为三类：后备式、在线互动式、双变换式。后备式 (Off-line)、 运行原理：市电正常时，它向负载提供的电源是对市电电压稍加稳压处理的“低质量”正弦波电源，逆变器不工作，蓄电池由独立的充电器充电。当市电超出规定范围时，负载由继电器转为电池逆变供电在线交互式或三端口式(Line-interactive)、 运行原理：UPS中有一个双向变换器（bidirectional converter），既可以当逆变器使用，又可作为充电器。所谓在线是指输入市电正常时逆变器处于热备份

9、状态而作为充电器给电池充电。 在线式(On-line) 运行原理：不管电网电压是否正常，负载所用的交流电压都要经过逆变电路，即逆变电路始终处于工作状态。所谓双变换是指UPS正常工作时，电能经过了AC/DC、DC/AC两次变换供给负载（图3）。 由UPS的结构可以看到，无论什么结构形式，整流器都是UPS必不可少的组成部分。在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展，与之相适应的的就是产生了6脉冲整流技术，6脉冲整流器简单可靠，大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电。电池直接挂在直流母线上，当输入市电正常时，靠整流可控硅的调节对电池充电，同时为GTR或IGBT

10、结构的桥式逆变器供电，逆变器将直流逆变为交流，最后经过输出变压器的升压及滤波，提供纯正的交流输出。从其结构中可以看出，可控硅整流是为了提供恒定的直流电压而采取的一种整流方式（可通过可控整流的导通角调整来适应输入电压变化，确保输入交流电压变化时整流输出直流电压的恒定），由于可控硅整流只能斩掉一部分输入电，所以其恒定输出电压的代价是将输出电压恒定在底于全波整流输出电压的某个数值上（图4）。 可控硅整流的最大缺点就是对电网的干扰问题，由于输入斩波产生的回溃污染。例如， UPS的输入端AC/DC整流电路中采用的是六脉冲整流技术时，输入的功率因数只有0.660.8，与负载量成反比，形成的总谐波分量达30

11、%左右，特别是中大功率UPS，大量的谐波电流会注入电网，造成电压畸变，电能质量下降，给电力系统发、供、用设备带来严重危害。这样传统的UPS在投运时,将向电网注入大量的谐波电流,引起谐波损耗和干扰,同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象,即所谓“电力公害”。 谐波电流不仅污染电网，而首先受到污染的是系统本身。再者，由于它的输入功率因数低，输入无功功率大，要求系统配电容量和系统中其他设备的功率容量都要增大50%；这将使得电网的电压波形受到干扰，电网配线的载荷能力下降，严重时可能导致该线路供电系统的震荡或者其他设备工作异常。高次谐波还消耗大量无功功率，增大线路的的损耗，引起电子保护装置的误动作，使电机

12、会产生附加力矩和附加损耗，影响仪器、仪表的计量准确度，对计算机网络，通信系统产生电磁干扰现象等。 使用IGBT整流技术UPS保护是双向的，即保护负载，也保护电网。各种用电设备及电源装置产生的谐波电流都会污染电网，计算机负载也是非线性用电方式的设备，也会产生电网谐波污染和无功功率。使用IGBT整流技术的UPSUPS除了可以降低自身对电网的污染外，还可以消除所带负载对电网谐波污染和校正功率因数。采用IGBT整流技技术，能实现让用户在UPS后端感到UPS提供是纯净的正弦波，让电网在前端感到UPS及所带的负载组是低谐波的近似阻性负载这样一个理想的目标。目前，采用IGBT整流技术的UPS已有产品进入中国

13、，同早期UPS逆变器的PWM技术逐渐替代方波技术时的情景很类似。采用IGBT整流技术的UPS也存在价格高，大功率元件生产困难，成品率低。该技术也有先在中小功率的UPS上实现，逐步向大功率过渡的特点。我们有理由相信，随着生产技术的发展，这种技术先进，环保节能的UPS会越来越普及，我们期待着这一天。2008-3-3 9:13:57IP:保密 zhonglong863等级:骑士权限:版主积分:362金钱:381声望:4经验:218发帖数:218注册时间:2007-12-21 编辑 删除 引用 第6楼 可控硅是硅可控整流元件的简称，亦称为晶闸管。具有体积小、结构相对简单、功能强等特点，是比较常用的半导

14、体器件之一。该器件被广泛应用于各种电子设备和电子产品中，多用来作可控整流、逆变、变频、调压、无触点开关等。家用电器中的调光灯、调速风扇、空调机、电视机、电冰箱、洗衣机、照相机、组合音响、声光电路、定时控制器、玩具装置、无线电遥控、摄像机及工业控制等都大量使用了可控硅器件。 二、可控硅的用途 可控硅被广泛应用于各种电子设备和电子产品中，多用来作可控整流、逆变、变频、调压、无触点开关等。家用电器中的调光灯、调速风扇、空调机、电视机、电冰箱、洗衣机、照相机、组合音响、声光电路、定时控制器、玩具装置、无线电遥控、摄像机及工业控制等都大量使用了可控硅器件。三、可控硅的优点 可控硅具有耐压高、容量大、效率

15、高、可控制等优点。四、可控硅的分类 按其工作特性，可控硅（THYRISTOR)可分为普通可控硅（SCR）即单向可控硅、双向可控硅（TRIAC)和其它特殊可控硅。五、主要参数 可控硅的主要参数: 1 额定通态电流（IT)即最大稳定工作电流，俗称电流。常用可控硅的IT一般为一安到几十安。 2 反向重复峰值电压（VRRM)或断态重复峰值电压（VDRM），俗称耐压。常用可控硅的VRRM/VDRM一般为几百伏到一千伏。 3 控制极触发电流（IGT)，俗称触发电流。常用可控硅的IGT一般为几十微安到几十毫安。六、封装形式 常用可控硅的封装形式有TO-92、TO-126、TO-202AB、TO-220、TO

16、-220AB、TO-3P、SOT-89、TO-251、TO-252等。七、主要厂家 主要厂家：ST、PHILIPS 、MOTOROLA、NEC、MITSUBISHI、TOSHIBA、TECCOR、SANKEN 等。1.整流元件（晶闸管）简单地说：整流器是把单相或三相正弦交流电流通过整流元件变成平稳的可调的单方向的直流电流。其实现条件主要是依靠整流管,晶闸管等元件通过整流来实现.除此之外整流器件还有很多,如:可关断晶闸管GTO,逆导晶闸管，双向晶闸管，整流模块,功率模块IGBT,SIT,MOSFET等等,这里只探讨晶闸管. 晶闸管又名可控硅,通常人们都叫可控硅.是一种功率半导体器件,由于它效率高

17、,控制特性好,寿命长,体积小等优点,自上个世纪六十长代以来,获得了迅猛发展,并已形成了一门独立的学科.“晶闸管交流技术”。 晶闸管发展到今天，在工艺上已经非常成熟，品质更好，成品率大幅提高，并向高压大电流发展。目前国内晶闸管最大额定电流可达5000A，国外更大。我国的韶山电力机车上装载的都是我国自行研制的大功率晶闸管。晶闸管的应用：一、可控整流 如同二极管整流一样，可以把交流整流为直流，并且在交流电压不变的情况下，方便地控制直流输出电压的大小即可控整流，实现交流可变直流二、交流调压与调功 利用晶闸管的开关特性代替老式的接触调压器、感应调压器和饱和电抗器调压。为了消除晶闸管交流调压产生的高次谐波

18、，出现了一种过零触发，实现负载交流功率的无级调节即晶闸管调功器。交流可变交流。三、逆变与变频 直流输电：将三相高压交流整流为高压直流，由高压直流远距离输送以减少损耗，增加电力网的稳定，然后由逆变器将直流高压逆变为50HZ三相交流。直流交流 中频加热和交流电动机的变频调速、串激调速等变频，交流频率可变交流 四、斩波调压（脉冲调压） 斩波调压是直流可变直流之间的变换，用在城市电车、电气机车、电瓶搬运车、铲车（叉车）、电气汽车等，高频电源用于电火花加工。五、无触点功率静态开关（固态开关） 作为功率开关元件，代替接触器、继电器用于开关频率很高的场合 晶闸管导通条件: 晶闸管加上正向阳极电压后，门极加上

19、适当正向门极电压，使晶闸管导通过程称为触发。晶闸管一旦触发导通后，门极就对它失去控制作用，通常在门极上只要加上一个正向脉冲电压即可，称为触发电压。门极在一定条件下可以触发晶闸管导通，但无法使其关断。要使导通的晶闸管恢复阻断，可降低阳极电压，或增大负载电阻，使流过晶闸管的阳极电流减小至维持电流（IH）（当门极断开时，晶闸管从较大的通态电流降至刚好能保持晶闸管导通所需的最小阳极电流叫维持电流），电流会突然降到零，之后再提高电压或减小负载电阻，电流不会再增大，说明晶闸管已恢复阻断。根据晶闸管阳极伏安特性，可以总结出：1门极断开时，晶闸管的正向漏电流比一般硅二极管反向漏电流大，且随着管子正向阳极电压升

20、高而增大。当阳极电压升到足够大时，会使晶闸管导通，称为正向转折或“硬开通”。多次硬开通会损坏管子。2晶闸管加上正向阳极电压后，还必须加上触发电压，并产生足够的触发电流，才能使晶闸管从阻断转为导通。触发电流不够时，管子不会导通，但此时正向漏电流随着增大而显著增大。晶闸管只能稳定工作在关断和导通两个状态，没有中间状态，具有双稳开关特性。是一种理想的无触点功率开关元件。3晶闸管一旦触发导通，门极完全失去控制作用。要关断晶闸管，必须使阳极电流维持电流，对于电阻负载，只要使管子阳极电压降为零即可。为了保证晶闸管可靠迅速关断，通常在管子阳极电压互降为零后，加上一定时间的反向电压。晶闸管主要特性参数 1正反

21、向重复峰值电压额定电压（VDRM 、 VRRM取其小者） 2额定通态平均电流IT（AV）额定电流（正弦半波平均值） 3门极触发电流IGT，门极触发电压UGT， （受温度变化） 4通态平均电压UT（AV）即管压降 5维持电流IH与掣住电流IL 6开通与关断时间 晶闸管合格证基本参数IT（AV）= A（TC=）-通态平均电流 VTM= V -通态峰值电压 VDRM = V -断态正向重复峰值电压 IDRM= mA -断态重复峰值电流 VRRM= V -反向重复峰值电压 IRRM = mA -反向重复峰值电流 IGT = mA -门极触发电流 VGT= V -门极触发电压 执行标准：QB-02-09

22、 晶闸管的选择：晶闸管的过载能力差，根据实际最大电流还要乘以1.53倍，即电流裕量。通常按平均电流IT（AV）选取，额定电流的有效值ITe（即均方根值）为平均电流的1.57倍。 波形系数Kf=Ite/IT（AV）=1.57 额定电压应取实际工作时的可能最大电压23倍，即电压裕量。 同时还要加上必要的保护措施。 门极触发电流：几十个mA几百mA，离开这个范围可能误触发或难触发 门极触发电压：3V左右 台面有凹台和凸台之分，散热器与此有关 2.主电路型式及多相整流一单相 1 单相半波可控整流电路 2 单相全波可控整流电路（双半波） 3 单相半控桥式可控整流电路 4 单相桥式可控整流电路 二三相 1

23、 三相半波可控整流电路 2 三相桥式全控整流电路 3 三相桥式半控整流电路 4 三相全控桥式同相逆并联整流电路 5 双反星形带平衡电抗器可控整流电路 6 双反星形带平衡电抗器全电路同相逆并联可控整流/YY+ YY 三多相整流多相整流可以大幅降低高次谐波电流，减少对电网的污染。 不论是三相桥式还是双反星形电路都可以组成多相整流。如12、24、36、48脉波，即在一个交流周波中直流脉动次数。一般来说，24脉波以上变压器结构相对较复杂，整变阀侧出线铜排较多，这样带来了一些其它困难。大容量机组可以用多台整流机组，通过移相相位差及并联运行来实现多相整流。3.保护 可控硅本身在选择时就已准备了很大的电流电

24、压裕量。为了使整流器可靠的工作，还必须加上各种保护。过流，限流，过压，快熔断，元件损坏，水压异常，水温高，缺相，欠支路，桥臂过热，防雷击，控制电路过流过压失控等；整变轻重瓦斯，油温异常。1晶闸管关断过电压（换流过电压、空穴积蓄效应过电压）及保护 晶闸管从导通到阻断，线路电感（主要是变压器漏感LB）释放能量产生过电压。由于晶闸管在导通期间，载流子充满元件内部，在关断过程中，管子在反向作用下，正向电流下降到零时，元件内部残存着载流子。这些载流子在反向电压作用下瞬时出现较大的反向电流，使残存的载流子迅速消失，这时反向电流减小即diG/dt极大，产生的感应电势很大，这个电势与电源串联，反向加在已恢复阻

25、断的元件上，可导致晶闸管反向击穿。这就是关断过电压（换相过电压）。数值可达工作电压的56倍。保护措施：在晶闸管两端并接阻容吸收电路。2交流侧过电压及其保护 由于交流侧电路在接通或断开时出现暂态过程，会产生操作过电压。高压合闸的瞬间，由于初次级之间存在分布电容，初级高压经电容耦合到次级，出现瞬时过电压。措施：在三相变压器次级星形中点与地之间并联适当电容，就可以显著减小这种过电压。与整流器并联的其它负载切断时，因电源回路电感产生感应电势的过电压。变压器空载且电源电压过零时，初级拉闸，因变压器激磁电流的突变，在次级感生出很高的瞬时电压，这种电压尖峰值可达工作电压的6倍以上。交流电网遭雷击或电网侵入干

26、扰过电压，即偶发性浪涌电压，都必须加阻容吸收路进行保护。3直流侧过电压及保护 当负载断开时或快熔断时，储存在变压器中的磁场能量会产生过电压，显然在交流侧阻容吸收保护电路可以抑制这种过电压，但由于变压器过载时储存的能量比空载时要大，还不能完全消除。措施：能常采用压敏吸收进行保护。4过电流保护 一般加快速熔断器进行保护，实际上它不能保护可控硅，而是保护变压器线圈。5电压、电流上升率的限制 4.均流与晶闸管选择 均流不好，很容易烧坏元件。为了解决均流问题，过去加均流电抗器，噪声很大，效果也不好，一只一只进行对比，拧螺丝松紧，很盲目，效果差，噪音大，耗能。我们采用的办法是：用计算机程序软件进行动态参数

27、筛选匹配、编号，装配时按其号码顺序装配，很间单。每一只元件上都刻有字，以便下更换时参考。这样能使均流系数可达到0.85以上。为了减少并联，选用大元件。这样可以进一步提高均流度，并减小损耗，因为每一只元件都存在一个 压降， 这也是整流器的主要损耗。 5.触发控制电路目前，可控硅触发电路有很多：模拟IC集成触发电路，其中有国产IC KJ004（KJ009）； 进口IC有TCA785 ，787电路；数字触发（一种逻辑芯片）模拟控制，可同步锁相；单片机触发控制电路也越来越广泛应用，都可PI调节。都能满足可控硅的触发要求。.精品文档.摘要：本文对历年来得到广泛应用的可控硅全桥并联逆变固体电源以及近几年得

28、到快速发展的IGBT半桥串联逆变固体电源的各项性能及它们的适用配套对象(电炉)进行了详细的比较分析。它将有助于用户根据各自的工艺要求正确、合理、经济地选用合适的供电电源。关键词：可控硅;IGBT;中频固体电源，感应电炉The performance comparison between MF power supply with SCR and IGBTYan Wenfei Yin Jingxing ( Xian Mechanical and Electric Research Institute 710075)Abstract: The performance and its applicat

29、ion for the SCR solid state MF power supply 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 individual process requirement.Keywords: SCR, IGBT, MF

30、solid state power supply , induction furnace1. 前言在我国的铸造界中，一般对配置可控硅(SCR)全桥并联逆变固体电源的中频感应电炉通常俗称为中频炉，其逆变部分电路如图1。而对配置IGBT半桥串联逆变固体电源的中频感应电炉通常俗称为变频炉(这个称呼并不确切，只是为了与配置可控硅全桥并联逆变器的中频炉相区别)，其逆变部分电路如图2。由于这二种感应电炉的逆变供电电源不同，所以它们的工作性能也有很大的区别。西安机电研究所既生产配置SCR全桥并联逆变固体电源的中频炉，也生产配置IGBT半桥串联逆变固体电源的变频炉。下文将对它们的优缺点和适用范围作一简单比较，

31、以使用户能够根据各自的工艺要求正确选择这二种不同类型的电炉，图1 SCR全桥并联逆变器原理图 图2 IGBT半桥串联逆变器原理图2. 固体电源的各项性能比较2.1 目前可以提供的上述二种产品规格经过近几十年的发展，可控硅已成为一种非常成熟的电力半导体元件。目前国外著名的SCR制造商可以提供2700 A/2500 V等级的快速可控硅器件。如图1所示，在SCR并联逆变器中，并联补偿电容器和电炉的感应线圈自成振荡回路，流过可控硅的电流通常是电炉感应线圈电流的1/61/10(熔化负载)。因此SCR全桥并联逆变器通常可以做到更大的功率。西安机电研究所现在生产的SCR全桥并联逆变固体电源的功率范围是160

32、 3000 kWIGBT(绝缘栅双极晶体管)是一种新型电力半导体器件，正处在成熟发展过程中。现在进入实用阶段的大电流IGBT的规格是1200 A/1200 V(德国进口)。从图2可见，在IGBT半桥串联逆变器中，补偿电容器与电炉的感应线圈串联，不能自成回路，电炉感应线圈的电流必须全部流过IGBT。在这种电路中，IGBT通常采用多个并联工作。但IGBT是一种快速开关器件，其关断时由于连接铜排电感的作用，会在IGBT上产生较高的关断过电压，如图3。这个过电压不能高于IGBT的额定耐压，否则会造成IGBT损坏。也就是说，连接铜排的电感限制了IGBT可并联的个数。因此，采用IGBT元件的半桥串联逆变固

33、体电源在目前条件下尚不能达到很大的功率。 西安机电研究所现在生产的IGBT半桥串联逆变固体电源的功率范围是50 1800 kW。图32.2 电网侧的功率因数和谐波干扰电网侧的功率因数取决于整流电路的工作方式。对于三相桥式整流器而言，如果整流元件在受正向电压时始终开通(如二极管)，那末它的功率因数接近于1。如果整流元件在受正向电压一段时间后开通 (如受移相控制的可控硅)，那末功率因数等于控制角(120- 导电角)的余弦函数。当控制角为0时，功率因数接近于1，此时整流器的输出电压最高。当控制角逐步增大时，功率因数随之减小，整流器的输出电压也逐步降低。对于SCR全桥并联逆变器，由于可控硅不能自己关断

34、，SCR全桥并联逆变器必须工作在电炉电流的相位超前于电炉电压的相位状态，它依靠反向施加在可控硅上的电炉电压(或着补偿电容器的电压)使其关断。这个超前的相位角(超前时间)取决于可控硅的关断时间(20 50s)，加上一定的安全余量，一般是不可调的。也就是说，SCR全桥并联逆变器本身不能调节输出功率。所以，它必须由SCR桥式整流器供电，依靠改变SCR桥式整流器的控制角来调节整流器的输出电压，从而调节输出功率。因此，当SCR全桥并联逆变器工作在额定输出功率时，其电网侧功率因数接近于1，而当输出功率减小时，其电网侧功率因数也相应地降低。IGBT半桥串联逆变器的情况有所不同。IGBT元件可以由门极电压控制

35、其开通或关断，在任何情况下只要其门极没有电压，IGBT元件就被关断。因此，IGBT半桥串联逆变器的工作频率可以任意改变。由串联谐振电路的工作原理可知，当工作频率改变时，电炉电压和电流的相位角随之改变，也就改变了送往电炉的功率。所以，IGBT半桥串联逆变器可以通过调节工作频率来调节输出功率。它可以由固定的电压源供电，通常采用二极管三相桥式整流器，其电网侧功率因数接近于1，并与输出功率无关。固体电源对电网的谐波干扰取决于整流电路的型式。对三相桥式整流器而言，无论是可控硅整流或二极管整流，都会产生5次，7次，11次和更高次的谐波电流，他们的大小分别是基波电流的1/5，1/7和1/11，见图4。图4

36、固体电源产生的高次谐波电流2.3 变换效率变换效率是固体电源中频输出功率与工频输入功率之比。固体电源内部的损耗越小，则变换效率越高。对于SCR全桥并联逆变器，其损耗一般包括整流可控硅损耗，滤波电感器损耗，逆变可控硅损耗，补偿电容器损耗和连接铜排损耗。其中滤波电感器损耗占的比例较大，因为滤波电感器通常由铜管绕制，必须有一定的圈数，受体积限制，铜管也不能太粗。对于IGBT半桥串联逆变器，其损耗一般包括整流二极管损耗，滤波电容器损耗，逆变IGBT损耗，补偿电容器损耗和连接铜排损耗。其中IGBT的损耗占的比例较大，因为IGBT的导通压降大于可控硅的导通压降，通过IGBT的电流又是全部电炉电流，并且IG

37、BT的数量较多。此外，IGBT半桥串联逆变器的连接铜排损耗也比同容量的SCR全桥并联逆变器大。这是因为前者的连接铜排长度和截面积都大于后者。比较二台中等功率(1000 kW)的固体电源可以发现，SCR全桥并联逆变器和IGBT半桥串联逆变器具有几乎相等的变换效率。事实上，现代设计良好的固体电源(无论可控硅或IGBT)其变换效率一般都可达到97%以上。但是随着功率的增大，SCR全桥并联逆变器的变换效率会略高于IGBT半桥串联逆变器。原因是大功率的SCR全桥并联逆变器需要较小的滤波电感量(滤波电感器的铜重减少，铁重增加)，而IGBT半桥串联逆变器的长的大电流铜排会产生更大的损耗。2.4 负载适应范围

38、一台熔化电炉将炉料从室温加热到熔化状态时，其感应线圈的阻抗变化范围通常可达到1.7：1。为了使固体电源在熔化过程中始终送出额定功率，固体电源负载适应能力必须满足电炉阻抗变化的要求。如前文所述，SCR全桥并联逆变器是依靠调节整流控制角(即改变整流器的输出直流电压)来调节输出功率的，这就意味着固体电源的负载适应能力完全由整流器的电流余量决定。电流余量越大，负载适应能力越强。举例来说，一台1000 kW的SCR全桥并联逆变器，由三相575 V供电，整流器输出的最高直流电压是750 V，如果将直流电流限定在1330 A，那末只有当负载的等效直流电阻为0.56 时，固体电源刚好输出额定功率。等效直流电阻

39、变大或变小时，整流器将限压或限流，从而使输出功率下降。如果将直流电流限定在1600 A，那末当负载的等效直流电阻在0.39 0.56 范围内变化时，固体电源都能输出额定功率。这时固体电源的负载适应范围为1.43：1。但是，由于受电源变压器和整流可控硅容量的限制，电流余量不能无限增加，所以一般的SCR全桥并联逆变器不能在整个熔化过程中始终送出额定功率。通常当炉料是冷态的时候，由于负载阻抗较小，整流器工作在限流状态，输出功率会小于额定功率。西安机电研究所生产的SCR全桥并联逆变器采用了先进的微控制器控制技术，其逆变控制部分采用了人工智能控制程序。该程序在需要时可以在小范围内改变逆变器的逆变角(在可

40、控硅关断时间允许范围内)，因此使SCR全桥并联逆变器具有了小范围调节负载等效直流电阻的能力，和整流器的电流余量相配合，使这种SCR全桥并联逆变固体电源具有接近恒功率输出的能力(不能完全达到)。IGBT半桥串联逆变器具有良好的恒功率输出的能力，它可在整个熔化过程中始终输出额定功率。当电炉的负载阻抗变化时，它可以调节工作频率，从而使负载的等效直流电阻回到额定值。因为频率可以在很宽的范围内调节(阻抗匹配能力远大于电炉阻抗的变化范围)，从而在熔化过程中使负载的等效直流电阻一直固定在其额定值。因此，向IGBT半桥串联逆变器供电的整流器不需要有电流余量，这同时也减小了电源变压器的余量。2.5 工作频率相对

41、于IGBT而言，可控硅属于慢速器件。要关断可控硅，必须使其承受一定时间的反向电压(如前文所述)。因此SCR全桥并联逆变器不适合工作在较高的频率上。通常使用快速可控硅的并联逆变器的工作频率一般不超过2500 Hz。因此SCR全桥并联逆变器不适合用作表面淬火电源。IGBT是一种快速开关器件，其开通或关断时间通常小于2 s。只要大电流铜排布局合理，关断过电压不超过其额定电压，IGBT半桥串联逆变器可以工作在很高的频率上。一般用于表面淬火的IGBT半桥串联逆变器的工作频率可以高达100 kHz。2.6 器件的过流容量和过流保护可控硅的过流容量比较大，一般在20 ms内允许有6倍于额定值的电流通过。SC

42、R全桥并联逆变器在直流通路上串联有滤波电感器。当可控硅直通短路时，这个电感器可以限制短路电流的增长速度。当过流保护动作使整流器被关闭后，滤波电感器限制峰值短路电流在允许的范围内，从而避免可控硅的损坏。同样以1000 kW的SCR全桥并联逆变器为例，其最高直流电压是750 V，额定工作电流是1330 A，滤波电感器的电感量是2 mH。当逆变可控硅短路时，直流电流的上升率由下式确定:di/dt = Vdc /L (Vdc 是直流电压，L是电感量)代入上面的数字可知直流电流的上升率是0.375 A/s。此时如果过流保护动作将整流可控硅的触发脉冲关闭，原来导通的二只整流可控硅最长将在6.6 mS后关断

43、， 最大短路电流可由下式估算：Imax = Idc + di/dt*t (Idc 是额定工作电流，t等于6.6 mS)图5计算得到最大短路电流是2475 A。事实上，在短路保护期间，直流电压并非保持750 V不变，而是按正弦函数逐步上升然后再下降到零，实际最大短路电流将比上式计算的还要小，见图5。无论如何，这个最大短路电流远小于可控硅的允许短路电流。而且，在整流器的进线处一般都装有快速保险丝，如果过流保护电路不动作，10 20 mS后快速保险丝会烧断。因此，当SCR全桥并联逆变器出现可控硅直通短路故障时一般不会损坏可控硅元件。IGBT的过流容量比较小。当IGBT直通短路时，其最大短路电流仅由I

44、GBT门极电压决定，一般是其额定电流的6 10倍，IGBT承受短路电流的时间不能超过10 s，否则会造成IGBT损坏。所以，与可控硅相比，IGBT是一种比较脆弱的器件。IGBT半桥串联逆变器采用电容器作直流滤波，电容器和IGBT直接用铜排相联。当IGBT直通短路时，电流上升的速度非常快，一般在1 2 s内电流就可上升到IGBT额定电流的6 10倍。过流保护电路必须在10 s内关闭IGBT，否则就会造成IGBT损坏。所以在IGBT半桥串联逆变器中对过流检测和保护电路的要求非常高，这些电路必须快速动作，响应速度应控制在数微秒内。IGBT直通短路时，大电流快速通过直流母排时会产生很大的电磁干扰，保护

45、电路还应有足够的抗干扰能力以保证动作正常。众所周知，在10 s内快速保险丝是不可能被烧断的。2.7 双向供电SCR全桥并联逆变固体电源是通过调节整流器的直流电压来调节输出功率，所以一台整流器只能带一台逆变器工作。也就是说，一台SCR全桥并联逆变固体电源同一时刻只能向一台电炉供电。IGBT半桥串联逆变固体电源是通过调节逆变器的工作频率来调节输出功率，整流器输出的直流电压是固定的。因此一台整流器可以同时带多个逆变器工作。在双向供电情况下，一台整流器同时向二台逆变器供电，可使二台电炉同时工作。2.8 价格相同功率的IGBT半桥串联逆变固体电源的价格通常比SCR全桥并联逆变固体电源的价格高20 30

46、%，当功率变大时价格差距将更加明显。价格的差异主要取决于二方面。一是IGBT半桥串联逆变固体电源采用电容器滤波，这些电容器的价格通常高于同功率的SCR全桥并联逆变固体电源使用的滤波电感器的价格。二是IGBT器件的价格约为相同规格的快速可控硅价格的一倍。此外，在半桥串联逆变器中IGBT要承受全部电炉电流。因此，同功率情况下IGBT的数量要明显多于可控硅。按现在国际市场行情，大电流IGBT器件的价格要明显高于二个一半电流IGBT器件价格之和，所以大功率的IGBT半桥串联逆变固体电源的价格与SCR全桥并联逆变固体电源相比差距会更大。综上所述，将上述二种固体电源的主要性能比较总结于表1。3. 电炉的性能比较3.1 电效率按照感应电炉的设计计算公式，感应器炉料系统的电效率可由下式计算。=2 R2/R0其中 - 电效率 - 感应器炉料系统的偶合系数R2 - 炉料的电阻