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       光触发晶闸管与高压直流输电
            
    光触发晶闸管与高压直流输电
    [ 作者:田方    文章来源:网络    点击数:1113 ]

    ● 引言

    目前世界上已投运的高压直流输电工程中电压±500kV级的居多,每个±500kV级的工程通常需要数千个大功率晶闸管(例如三峡——常州HVDCT工程就有4176个3000A/7.2kV大功率晶闸管)。每一个晶闸管单元(包括晶闸管、阻尼均压电路及晶闸管控制单元)的任何改进,都意味着可观的成本降低和可靠性的明显提高。因此,世界上各大HVDCT设备供货商都十分重视晶闸管单元的优化工作。

    20多年来,试图以光触发晶闸管LTT(Light Trigger Thyristor) 替代电触发晶闸管ETT(Electric Trigger Thyristor)的努力一直在继续。上世纪90年代后期,西门子公司首先将具有正向过电压保护功能的

    器件——B0D(Breakover Diode)成功地集成到大功率的LTT上,从而决定性地扫除了LTT用于HVDCT的巨大障碍。目前,采用LTT的HVDCT用换流阀已投入商业运行。

    ●       直流输电换流阀

    HVDCT是一个庞大、复杂且前沿的输变电系统。作为其核心设备的换流阀主要包括换流阀和阀基电子设备。

    晶闸管换流阀主要由晶闸管单元、阳极饱和电抗器串联而成。不同晶闸管单元电位互不相同。常规晶闸管单元包括:晶闸管本身、RC阻尼电路、静态均压电阻及晶闸管控制单元TCU(Thyristor Control Unit)或晶闸管电子设备TE(Thyristor Electronics)。其中TCU(或TE)是一块复杂的印制电子线路板,其功能主要有:

    1)自取能  从对应晶闸管工作电压中获取能量,支持自身电子线路工作。

    2)触发晶闸管。

    3)正向过电压保护功能  晶闸管在工作过程中由于某种原因没有被正常触发,从而要承受正向过电压,在过电压升高达到晶闸管转折电压之前正向过电压保护器件(或电路)动作,强迫触发晶闸管,达到保护晶闸管的目的。HVDCT工程中采用的正向过电压保护器件(或电路)主要有3种,例如:葛洲坝——上海HVDCT用BOD;天生桥—— 广州HVDCT用BTC(Backup Trigger Circuit);三峡—— 常州HVDCT用PF(Protection Firing)。

    4)恢复期保护功能RP(Recovery Protection)  晶闸管在关断反向恢复期间,由于阻断特性尚未完全恢复,过高的dv/dt扰动会损坏晶闸管。该保护功能在dv/dt扰动超过一定数值时保护晶闸管。

    5)晶闸管工作状态检测。

    6)光——电、电——光转换  TCU(或TE)受控于处于地电位的阀基电子设备VBE(Valve Base Electronics),并将晶闸管的工作状态报告VBE。由于电位隔离及抗电磁干扰的需要,二者之间的信号传输需要通过光缆实现。

    由于光缆良好的信号传输性能及电隔离、抗电磁干扰性能,以及发光管、光敏管及光电转换技术的发展,使这一技术广泛应用于高电压系统及测量领域。HVDCT利用了这些优良特性,实现了TCU(或TE)与VBE之间的控制、检测、保护等信息的传递,从而彻底取代了复杂庞大的电磁触发方式。LTT的应用则更大。

    ● 光触发晶闸管LTT

    对光触发晶闸管LTT的成功研制已有20多年的历史,其机理十分明了。即用光直接照射晶闸管芯片来触发晶闸管。然而,欲将LTT用于中、高压领域,如HVDCT,静止无功补偿SVC(Static Var Compensation)等系统,则需要解决如下两个技术难题。

    1)LTT需很高的光灵敏度,以适应远距离控制和长寿命发光管的实际要求。

    LTT要求光灵敏度必须很高,也就是说LTT的光敏区必须很小,否则其抗dv/dt能力将降到每微秒数千伏,使得LTT在反向恢复期的抗电压扰动能力降低。然而,很小的光敏区同时也带来了晶闸管开通时的电流冲击问题。这一问题主要依靠了多级(五级)放大和级间增加侧面限流电阻的工艺方法得到解决。

    很小光敏区的优点是,光触发的能量可以较小(40mW,而ETT需要数瓦的大功率门极触发脉冲)。这样,延长了发光管的使用寿命(达40年以上)。同时使得光缆的传输距离达100m以上。由此可将阀基电子设备VBE从容地置于远离阀厅的控制室中。

    2)将正向过电压保护器件(BOD)集成到晶闸管本身,从而从根本上简化了晶闸管控制单元TCU(或TE)。

    因为HVDCT和SVC等高压换流设备中,每个换流阀是由很多晶闸管(通常为数十个)串联组成的,在换流阀的运行过程中,经常发生的陡坡冲击、局部不均压或开通分散性等都会引起部分晶闸管的正向过电压,从而损坏晶闸管。所以,正向过电压保护功能必不可少。常规的ETT则是通过将一个分立的BOD器件并接在晶闸管的阳极和门极之间来实现正向过电压保护功能的,这使得保护电路不仅增加了连接点与安装空间,增加了成本,而且降低了可靠性。而LTT需将BOD功能集成于晶闸管本体中, 以减少晶闸管的外围电路,并大大提高可靠性,这是一个难题。而由西门子公司开发的一种新的晶闸管结构和生产工艺,解决了这个问题。其方法是,在硅片中心的P基上刻蚀出特殊的刻槽。采用特殊的设计,使参数不受生产工艺的影响而变化。刻槽导致局部电场集中,使BOD转折电压低于晶闸管转折电压(功能要求)。刻槽的相对大小可准确控制BOD转折电压值。LTT的五级放大及集成限流电阻结构,保证了它可靠地正常触发和保护触发。同时,在BOD表面附近区域增加的P形保护层,保证了BOD电压的长期稳定性。另外,测试显示,在20~150% 的整个温度范围内,BOD功能均能正常实现(BOD电压温度系数与转折电压温度系数趋势保持一致)。

    ● LTT换流阀

    20世纪90年代后半期,西门子在上述L1TT的技术问题上取得了重大突破,并将LTT用于HVDCT商业线路中。分析西门子用于HVDCT的阻断电压8kV,硅片d=127mm(5 inch)的ETT和LTT的技术指标,两种晶闸管的性能参数基本相当。都能满足HVDCT对晶闸管的要求。另外,两者在外型尺寸上也基本相同。所以,可以将已运行的ETT阀方便地更新成LTT阀。

    LTT换流阀与ETT换流阀在功能、原理和形式等方面没有差别。只是前者的TCU(或TE)单元被大幅度简化了,仅在每个晶闸管组件上增加了一个光耦合器。

    由于光触发信号直接送到了带有BOD功能的LTT上,所以LTT安装比ETT简单,LTT没有晶闸管门极触点,没有BOD到门极连接线等,TCU(或TE)只剩下相对次重要的部分晶闸管状态回报功能(已不必再检测BOD状态)和恢复期dv/dt保护功能。其电子电路只要通过静态均压电阻检测晶闸管状态,并将信号通过光缆传送到阀基电子设备。没有复杂的电子控制逻辑电路,其线路将十分简单,更重要的是提高了可靠性。

    相对于传统的晶闸管换流阀,LTT换流阀每个组件(24~30个晶闸管单元)增加了一个光耦合器。它其实是一个光学分配器,并无电子器件。该耦合器将来自VBE的控制触发信号直接分配给每个晶闸管。这样明显减少了由换流阀组件到VBE的长距离高压光缆数(通常每根光缆长60m左右)。节省了昂贵的光缆费用(用于HVDCT的高压光缆较一般通讯光缆贵数十倍)。

    从以上分析可以看出,LTT换流阀较ETT换流阀具有明显的技术优势。它可以最大限度地减少强电磁场中的电子器件,大大增强了换流阀的运行可靠性,延长了换流阀的检修周期,同时也降低了设备的运行成本。

    ● 结语

    商用的高压直流输电已有6O年的发展历史,今天广泛使用的晶闸管换流阀也已有3O多年的运行实践。世界上各大HVDCT制造商在发展过程中都积累了丰富的经验,并形成了各自的风格。比如, 在HVDCT换流阀结构方面,ABB公司采用小组件(6个晶闸管单元),串联水路,多电阻、多电容的一次阻尼及取能电路,无高电压器件的晶闸管控制单元TCU,没有组件冲击电容等。而西门子公司则采用大组件(24~3O晶闸管单元),并联水路,简单的一次RC阻尼电路,包含直流静态均压及正向过电压保护(BOD或BTC)的晶闸管电子设备单元TE等。各个厂家技术更新都建立在自身已有的产品结构模式上,尤其是已建立的复杂而自成体系的控制系统上。LTT与各自已有结构的相容性和可替换性等原因,都形成了各自对LTT优越性的不同理解。HVDCT是一个系统工程,所以需要综合考虑各方面的影响因素来分析LTT的应用前景。

    中国电力电子器件的发展现状较国际先进水平仍存在较大的差距。目前国家已依托三峡——常州HVDCT工程从ABB公司引进了阻断电压8kV、硅片d=127mm(5 inch)的电触发晶闸管的生产技术与部分生产设备。因此,国产化换流阀的研制既要考虑电触发晶闸管模式,也要抓住机遇,利用与西门子公司进行“引进技术合作生产”的有利条件,研制国产化的LTT换流阀。

     

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