大功率整流器在铝行业的应用.doc

   大功率ABB 整流管在铝行业大整流器中的应用
 (Bjoern Backlund & Alper Akdag ,ABB Switzerland Ltd. Semiconductors)

一 ﹑前言
    ABB半导体公司生产用于电解铝和其他冶金领域上的晶闸管和整流管已有着悠久的历史。通过与设备制造商之间的紧密合作, ABB半导体公司在这些技术要求严格的领域积累了丰富的经验,这对于进一步了解客户的需求、更快的解决系统里可能出现的问题很有帮助。
    如下图表1所示,为了满足市场的需求,ABB半导体公司生产了不同级别的电压及额定电流共5种不同的外形的整流管。
二 ﹑参数的解释及其相关的整流设计

表1：ABB半导体整流管范围
VRSM (最大浪涌峰值反向阻断电压):这是最大的单相脉冲电压,管子能够立即阻断. 如果通过的电压超过这一标准,管子就会损坏.这一参数是在5Hz的重复频率, 10ms的半正弦脉冲下测定的.为了能够安全运行, VRSM必须比VRS要高,参见Fig. 1.
VRRM (最大重复峰值反向阻断电压): 这个最大电压可以使管子反复的阻断.大于这个标准,管子就会发生故障导致短路. 这一参数是在50Hz的重复频率, 10ms的半正弦脉冲下测定的.为了能够安全运行, VRRM必须比VRR要高, Ö2*Vsupply ,参见 Fig.1.

IFAVM (最大平均正向电流):在85℃ 时, 180°正弦脉冲的50% 负载循环下确定的最大通过管子的电流值.
IFSM (最大浪涌峰值正向电流): 在没有再外加电压,只是10ms半正弦波脉冲电流下确定的这一最大值. 大于此值,管子就会发生短路而损坏.这一参数对于保护熔断器和断路器的协调是十分重要的.
 VF0（门坎电压） 和rF（斜率电阻）： 它们把二极管正向压降用直线来表示,从而可以估算传导损耗[1]. VF0 和 rF 应该尽可能低来减小损耗值.
                          P loss = VF0 * I FAV + rF* I 2Frms [1]
这条直线只是在给定的限制电流范围内有效.
TVJM (最大结温) 这个最大值能够估算到硅片连接的温度.如果大于这一值, 管子的额定值就不会再有效,易造成管子的损坏.
RthJC：结到壳的热阻
RthCH (壳到散热器热阻)： 这一方法能够很好的使功率损耗传送到冷却系统中. 关于散热器温度的上升"实际的连接”(整流管内部的硅片)是根据[2]来估算的. RthJC 和 RthCH 应该尽可能的低.
ΔTJH = P loss* ( RthJC + RthCH ) [2]
ΔTJH 是硅片和散热器间的温差.
Fm (安装压力）: 此压力能够使管子的运行达到最佳的效果,因此建议使用.较低的安装压力会增加热阻抗导致更高的结温偏离致使整流管其运行寿命降低. 较高的安装压力会使芯片在负载循环中破裂.

三﹑设计建议
    决定所需整流管的电压额定值
    由于供电电网中会产生瞬态过电压,因此整流管的挑选必须小心谨慎,在不需要昂贵的外部过电压保护下,来控制大多数的过电压.

使用[3] 或[4]来估算额定值:
VRRM = √2 Vsup k1                 [3]
VRSM = √2 Vsup k2                 [4]

    Vsup是线间供给电压rms值, 根据供电网的性质,k1 和 k2 是挑选出来的安全系数. 大多数设备设计师选用[3],但是因为高振幅的瞬态过电压具有很低的重复频率,一些设计师就采用[4].

    比起[3]中的k1,系数k2值通常选择稍微高一点儿的,但是有些设计中的k2 和 k1值是一样的.对于ABB的管子来说,其VRRM和 VRSM有着相当大的区别, VRSM 额定值是能够避免过多瞬态电压的定限.

    由于从电网方面获得的信息有限,系数k 通常是根据经验来选择的,因此能够可以用于不同制造商的不同型号的产品中.在工业环境中,k通常被选择在2到2.5之间,但是由于供电网的性能较低,k值通常就选择较高的系数值(电路中没有过电压的保护).在确定不准的时候,建议使用K的保守值. ABB的经验就是用高电流整流器连接在它的变压器上,这样能够很好的保护突如其来的过电压,并能够在系数是[4] k2 = 2.5下良好的运行.

    通过使用具有可控雪崩性能的管子,通常可以看成雪崩整流管,系数k也能够同样减小,因为雪崩整流管具有抗过电压的自保护特性.不建议大幅度的减小k的值, 因为雪崩性能是受能量限制的.
ABB有一系列100%测试过的具有雪崩性能的雪崩整流管, 其tp= 20μs,50kW 或更高.

装置中管子并联的电流分配问题
    管子并联时,要求较高的输出电流. 因此需要采取一些措施来避免电流分配带来的过小电流,否则就会导致管子的损坏或采用超出极限不切实际的解决方法.
    在所有并联电流通路中,主要是为了达到相似的阻抗和感应值.不同的电流通路会导致不均匀的电流分配,使得一个或更多的整流管能够在高温下正常运行. 由于低估了其他并联整流管的过热或不切实际的解决方法,因此会导致管子的损坏.整流管的差别就是通过适当的控制设计来进行补偿,如果没有整流管,就只有通过精密的机械设计以及元配件的精心挑选来平衡其电流.

    机械的对称设计是达到电流良好分配的关键.这样设计使母线﹑散热器和其他电流传送元件具有很长均匀的电流通路,其对称的设计还能够获得均匀的电感.

    为了提高电流分配,挑选整流管这一方法是可行的. 50mV VF-宽带通常是在TJM 和电流接近IFav 条件下测量的,从而能够得到良好的电流分配.对于供货商来说,如果不增加成本就能够达到这一要求,将会十分困难.但是供货商可以用2或3交叠VF-宽带来解决这一难题,一个宽带用在一个定位上,但是不同定位或许有不同的宽带,这或许是最切实际的方法了.

    由于半导体生产商的不同,生产出的产品其特性也几乎没有完全一样的.因此我们不建议使用混频整流管,即使是同一个制造商生产的混频整流管,也不建议去使用.当需要替换零部件时,一个桥臂的元件应该全部更新,从其他好管子中更换下来的旧元件,还可以作为其他部分管子的备件.
四﹑ 参  考
ABB半导体公司的大功率整流管应用于世界不同地方的铝行业领域.以下所列的是其中几个实例:
1. Aloutte 2:加拿大魁北克
2. Kestrel: 阿联酋迪拜铝业
3. Hillside PL3: 印度尼西亚
4. Tomago: 澳大利亚新南威尔士
5. Alcan Alma: 加拿大魁北克
6. Hydro Aluminum, Sunndal
7. Balco:印度科斯