IGBT在核電站棒控系統中的應用

許育周 李 濤 王春生

(中科華核電技術研究院有限公司，廣東 深圳 518124)

0 引言

棒控系統是核電站反應堆十分重要的控制系統，它是控制棒驅動機構的電源控制裝置［1］。電源柜是棒控系統的重要設備，其作用是為驅動機構的三個線圈提供相應大小的時序電流，使驅動機構提升、保持和下插控制棒束，以調節反應堆功率。

目前，國內外在役二代或二代加核電站棒控系統主要基于可控硅整流技術。該技術決定了輸出電流紋波較大，上升和下降時間較長。在某些情況下，電流紋波會超出閾值引發電流故障報警，影響系統的安全性。

基于絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)的整流技術由于采用了脈寬調節等技術，可以克服可控硅技術的缺點，因而越來越受到國內外廠商的重視。嶺澳二期核電站、歐洲EPR三代核電站采用了IGBT技術。

1 可控硅棒控系統缺點分析

可控硅是20世紀五六十年代發明的半控型整流器件，被廣泛應用于電力電子設備中［2］。可控硅是一種電流驅動的半控型元件，當其被觸發導通后，不能自主關斷。只有當陽極電壓下降到接近或低于陰極電壓時，可控硅才能關斷。

可控硅的開關速度也相對較慢。可控硅與IGBT的性能比較如表1所示。

表1 可控硅與IGBT性能比較Tab.1 Performance comparison for SCR and IGBT

由表1可知，可控硅的靈活性、工作頻率、開關速度上都比IGBT遜色。

由可控硅構成的棒控系統具有輸出電流紋波大、上升和下降時間較長、控制電路復雜等缺點。由于這些缺點，近年來，人們開始使用新型的功率器件IGBT作為整流器件。

傳統的棒控系統均將可控硅作為整流元件。由三只可控硅構成的三相半波整流主電路如圖1所示。

圖1 可控硅三相半波整流電路Fig.1 Three phase half wave rectification based on SCR

2 IGBT發展歷史及特點

電力電子器件的發展經歷了可控硅(SCR)、可關斷可控硅(GTO)、功率晶體管(GTR)、功率場效應管(MOSFET)和絕緣柵晶體管(IGBT)等階段［3］。目前，電力電子器件正朝著大容量、高頻率、易驅動、低損耗、模塊化、復合化方向發展。IGBT器件誕生于20世紀80年代，90年代初進入實用化。與其他電力電子器件相比，IGBT具有電壓型控制、輸入阻抗大、驅動功率小、控制電路簡單、通斷速度快、工作頻率高、元件容量大等優點［4］。近幾年來，IGBT的性能提高很快，額定電流已達數百安培，耐壓達1500 V以上，而且還在不斷提高。

IGBT是集GTR與MOSFET二者優點于一體的復合器件，它既有MOSFET的輸入阻抗高、速度快、開關損耗小、驅動電路簡單、要求驅動功率小、極限工作溫度高、易驅動的特點，又具有GTR的通態電壓低、耐壓高和電流容量大的優點。IGBT為電壓控制通斷的自關斷器件，其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于數十kHz頻率范圍內。IGBT正日益廣泛地應用于體積小、噪聲低、性能高的變頻電源及大功率的交流伺服電機的調速系統中，在較高頻率的大、中功率應用中占據了主導地位，并已開始在上述領域取代GTR和MOSFET。

IGBT技術經過20多年的發展，現已成為一種非常成熟的產品。其具有電路簡單、開關損耗小、工作頻率高和元件容量大等優點，在電力電子領域得到了廣泛應用。

3 IGBT在棒控系統中的應用

目前，核電站棒控系統主要應用的是傳統的可控硅技術和新型的IGBT技術。驅動機構所要求的電流波形是一種直流脈沖波形，因此可設計一種由IGBT構成的斬波器［5］。就全控性能而言，IGBT是最適合斬波應用的器件，而且技術簡單，幾乎IGBT器件本身就構成了斬波電路。

目前，IGBT技術已成功應用于廣東嶺澳二期核電站棒控系統、中國原子能研究院快中子反應堆的棒控系統。這些反應堆的棒控系統運行情況良好。

可控硅和IGBT這兩種器件構成的棒控系統的性能指標比較如表2所示。

表2 兩種方案性能比較Tab.2 Compare of two schemes performance

從表2可以看出，由IGBT構成的棒控系統的性能都優于可控硅系統。

以嶺澳核電二期棒控系統為例，簡述IGBT在棒控系統中的應用情況。由IGBT構成的主電路結構如圖2所示。

嶺澳二期棒控系統主電路由兩塊IGBT構成。其中，VT1為斬波管，它的主要作用是對要求的電流值與驅動機構線圈反饋回來的實際電流值進行比較后，產生不同脈寬的矩形方波，以進行電流大小的調節。VT2為逆變管，它的主要作用是當某時刻要求電流時導通，要求切斷電流時關斷，達到控制電流輸出或關斷的時間。

通過控制VT1和VT2的導通與關閉，就可以產生符合驅動機構要求的電流波形。

圖2 IGBT主電路圖Fig.2 Main circuit of IGBT

各管子的控制脈沖波形和輸出電流波形如圖3所示。

圖3 控制脈沖波形和輸出電流波形Fig.3 Control pulse waveform and output current waveform

當VT1和VT2都關斷時，驅動機構線圈將產生一個較強的自感電動勢。為了釋放這個電動勢的能量，在驅動機構線圈的兩端并聯一個電阻R，以釋放其產生的自感電動勢。

這個電動勢釋放的快慢將直接決定輸出電流的上升和下降時間。它的時間常數為L/R，其中，L為驅動機構線圈的電感量。可見，增大R可以減少自感電動勢的釋放時間［6］。但是如果R增加得太大，也增加了電阻的功耗，使其發熱嚴重。

改進方法主要有兩種，其中一種改進的方法是用齊納二極管代替電阻，這種方法可以大大減少自感電動勢的釋放時間。另一種方法是將自感電動勢釋放到電容器中。這種方法不但釋放時間快，而且將驅動機構線圈的磁場能量轉化成電能，以供下次動作使用，且不產生多余的熱量使機柜升溫。

4 IGBT使用注意事項

雖然IGBT作為近來非常流行的器件，得到了廣泛應用，但IGBT也有其自身的缺點。使用時應該根據器件的特點設計相應的線路和選擇合適的參數。

①IGBT容量選擇

IGBT的過流能力比可控硅的過流能力要弱一些，一般過流時間只有數十微妙。其過流峰值也只約為額定電流值的兩倍。元件實際允許通過的電流受安全工作區的限制而減小，導通時間越長，元件發熱越嚴重，導通電流越小。因此，在選擇IGBT容量時，一般要選擇額定電流大于實際工作電流的2～3倍。

②柵極驅動電壓Uge

柵極驅動電壓對IGBT的性能有比較大的影響。Uge電壓越高，導通壓降越低，但受到器件性能限制，一般不能超過20 V。為了減小IGBT的開關損耗，應使其從截止區和飽和區之間的過度時間盡量短。這就要求Uge脈沖前沿很陡，使IGBT快速開通。在關斷時，應設計下降沿陡的反向偏置電壓，使之快速關斷，減小關斷損耗。IGBT導通中及瞬時過載時，柵極驅動源應能提供足夠的功率，使IGBT不退出飽和而損壞。實際應用中，Uge一般取12～15 V。

③柵極電阻Rg

柵極電阻Rg對IGBT的導通和關斷時間影響很大。為了改善控制脈沖前后沿陡度，減少IGBT集電極大的電壓尖脈沖，需在柵極串聯電阻 Rg。Rg越大，IGBT的導通和關斷時間也就越長，開關損耗也就越大;Rg越小，導通和關斷時間也就越短，關斷損耗也就越小。但Rg過小會造成di/dt增高，產生較大的集電極電壓尖峰，可能引起誤導通或損壞IGBT。因此，要根據具體電流容量和電壓額定值及開關頻率，選擇合適的串聯阻值，而且柵極串聯電阻應隨著IGBT電流容量的增加而減小。Rg一般為十幾至幾百歐姆。

④柵射電阻Rge

IGBT的柵極輸入阻抗是十分高的，通常高達幾個甚至幾十個兆歐，對靜電十分敏感。IGBT一般都工作在較高電壓狀態下。當集射極間加有高壓時，IGBT易受干擾，使柵射電壓超過開啟閾值電壓引起誤導通。在柵射極間并接一柵射電阻Rge可防止此現象發生。Rge太小，會使IGBT開通時間變大，增加IGBT的開關損耗和降低開關頻率。通常Rge取(1000～5000)Rg，并將Rge并聯在柵極與射極最近處。

⑤驅動電路

由于IGBT一般應用于電力電子設備的高壓場合，故驅動電路與控制電路應嚴格隔離。柵極驅動電路要簡單、實用，抗干擾性能好，自身保護功能完整，到IGBT的引出線盡量短，且采用雙絞線，使電路有較強的抗干擾能力。在實際應用中，為達到更好的效果，在過流保護上還需采用如軟關斷、降柵壓等方法;采用鉗位電路防止產生浪涌電壓等［7］。

5 結束語

IGBT經過20多年的應用和發展，已成為一種非常成熟可靠的產品。由于IGBT是一種電壓控制型的全控型器件，控制方式簡單，適合應用于核電站棒控系統中。雖然IGBT存在過流時間小、容易受干擾等不足之處，但只要合理選擇IGBT的參數和合理設計其驅動和保護電路等，完全可以避免不足，并充分發揮IGBT的優勢。

在應用IGBT的在役核電站中，棒控系統運行良好，由此證明IGBT應用于棒控系統是可行而且安全可靠的。

［1］蘇林森，楊輝玉，王復生，等.900MW壓水堆核電站系統與設備［M］.北京:原子能出版社，2007:277－282.

［2］舒華.關于晶閘管電路及其應用教學方法探索［J］.中國電力教育，2011(4):73－74.

［3］侯圣語，劉建坤.電力電子技術的發展及應用［J］.企業技術開發，2011，30(12).

［4］陳騫，賀明智，鄭瓊林.兩種IGBT的性能參數比較和選型［J］.電力電子技術，2011，45(6):106 －108.

［5］唐磊，徐政，陶江平，等.大功率交流斬波器的研究與開發［J］.電力電子技術，2011，45(7):124 －126.

［6］馮艷虹.IGBT逆變橋無源無損緩沖電路的研究［D］.北京:華北電力大學，2004.

［7］衛三民，李發海.一種大功率IGBT實用驅動及保護電路［J］.清華大學學報:自然科學版，2001，41(9):55－58.