大功率整流器多個支路并聯的均流分析

侯豐

摘 要：針對目前大功率整流器的使用情況，本文首先對均流進行簡述，然后探討影響大功率整流器多個支路并聯的均流的因素，最后提出解決辦法，以期為相關學者的研究提供借鑒。

關鍵詞：均流;大功率整流器;多支路并聯

中圖分類號：TM461 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）13-0138-04

Abstract： In view of the current situation of high-power rectifier， this paper first gave a brief description of current sharing， then discussed the factors affecting the current sharing of multiple branches of high-power rectifier in parallel， and finally put forward solutions， with a view to providing reference for the research of relevant scholars.

Keywords： current sharing;high power rectifier;multi-branch parallel connection

1 研究背景

整流系統主要由整流變壓器、濾波器、整流柜等裝置組成。其中，整流變壓器的損耗在整流系統部件中占有很大一部分;整流柜中的電力電子器件是整個整流系統的核心部件。目前，國內外大功率整流系統大多采用二極管、晶閘管作為整流元件。半導體二極管的出現開辟了能量變換的新方式，由其構成的整流系統具有諧波小的優點，但二極管的開通與斷開不能控制。隨著晶閘管的出現，以晶閘管為代表的整流技術具有調壓范圍廣、精度高、可靠、高效率以及控制靈活、操作簡單的優點，并且在相關領域得到了廣泛應用和發展。近年來，GTR、GTO、MOSFET和IGBT等這些大功率可關斷器件，在整流系統中得到了應用，具有控制靈活、諧波減小等優點。但是，目前可關斷器件的價格、電路復雜、產生高次諧波、耐壓等級、容量等因素限制了晶閘管在實際工程中的廣泛應用。

目前，晶閘管整流在我國電解領域占有主導地位。大功率整流系統在電解化工行業大多應用多重化技術，基于新型整流變壓器的整流系統不僅可以減少整流系統對整個電力系統的諧波污染，而且還可以減小輸出的電壓和電流畸變率。在大電流工業應用中，晶閘管相控整流器是最常用的技術。晶閘管整流器效率較高，約為97%[1-3]。晶閘管整流器的主要優勢是高效率、高可靠性、負載電流控制得好、成本低和技術成熟。由于電解工藝不斷進步，大規模電解槽需要的直流電流從幾十千安到幾百千安不等，整流系統采用大功率多機組并聯的方式為電解槽提供電源，單臺6脈波晶閘管整流柜的電流最高達到幾十千安，二極管整流柜的電流甚至更高。當整流柜的電流要求達到一定值時，由于器件容量等原因，需要多個整流元件并聯供電才能滿足要求。整流元件并聯使用過程中，每個支路的均流問題嚴重影響整流器的安全運行。本文從器件、布局、脈沖觸方多個影響均流的方面進行分析，針對晶閘管整流器多支路并聯均流方式進行探討，提高均流水平，為整流器的安全運行提供幫助。

2 均流介紹

為了滿足電化學工業所需直流大電流的要求，在設計制造中都采用大功率硅（可控硅）整流器，在一個橋臂上并聯多個元件，增大單個整流器直流輸出電流，整流側采用多臺整流器并聯運行的方式向生產提供足夠的系列大電流。為提高整流器的運行效率、減少各環節的功率損耗，實現節能降耗作用，必須提高對整流器均流系數的要求。

2.1 均流系數

從圖3可知，各支路在導通期間，由于受磁場的影響，在開通時兩端的整流元件上升快，中間的整流元件上升慢。開通后一段時間，所有支路元件的電流趨于平衡。

3.4 整流橋橋臂間互感

在大功率整流中，三相橋式整流電路由6個整流橋臂構成，三相相A、B、C各有一個正橋臂和負橋臂。由于整流柜空間的限制，整流橋臂布局在一個柜內，橋臂間和橋臂支路間的磁場會產生互相干擾。如圖4所示，橋臂的導通順序為1-2-3-4-5-6-1循環，任一時刻都有兩個橋臂同時導通。如圖5所示，起始時刻為6-1同時導通，在1導通的中間時刻，6和2換相，變為1-2導通;在2的中間時刻，1和3換相，變為2-3導通，以此類推順序循環導通。以1號橋臂來分析，其導通的前一半時間是1-6號橋臂共同導通，后一半時間是2-3號橋臂共同導通。從結構上來看，6號橋臂靠近1號橋臂，而2號橋臂遠離1號橋臂，因此，導通的前半部分受6號橋臂的磁場影響大，而導通的后半部分受2號橋臂的影響小。這種情況對中間的四個橋臂2-3-6-1影響基本相同，而對靠近兩側的橋臂5-4則影響很小。這種情況會造成中間四個橋臂導通時前半部分和后半部分電流不一致。

3.5 晶閘管的脈沖

對于晶閘管整流器，各支路晶閘管的脈沖一致性、脈沖功率、脈沖前沿上升率和晶閘乏怕門極參數一致性會對晶閘管的開通一致性產生影響。

3.6 其他因素

3.6.1 交流側進線排和直流側匯流母排的影響。以下進上出為例，交流側進線磁場會對整流臂下部的整流支路產生影響，直流側匯流母排的磁場會對整流臂上部的整流支路產生影響。對于交流側采用銅排互聯的整流橋，由于其銅排明顯呈現阻性，即電阻遠大于電感，所以可以根據改變銅排的電阻來達到均流的目的。比如，通過在銅排上打孔的方式改變電阻的均流方式。

3.6.2 直流匯流母排的匯流方式的影響。側部出線的整流器匯流母線電流由內側向外側電流逐步增大，中間出線的整流器匯流母線由兩側向中間電流逐步增大，因此，匯流母線電流磁場對每個橋臂的影響不一致，會造成橋臂間電流的不一致，對每個橋臂的上部元件的影響也不一致，從而影響橋臂上支路的均流。

4 提高均流系數的方法

4.1 整流元件參數的篩選

對于影響均流的整流元件參數整流管門檻電壓[VTo]和整流管斜坡電阻[rT]，廠家在出廠時提供的是在125℃溫度條件和一定通態電流條件測量的通態壓降[VTM]，不能完全反映電流上升的動態壓降變化曲線，也不能反映溫度變化條件下的通態壓降，因為在運用中往往不會應用在額定最大溫度條件下。因此，在大功率多支路并聯條件下，應要求廠家提供兩點以上電流條件和三點溫度條件下的管壓降，根據這些條件下的通態壓降[VTM]進行匹配，使每個橋臂并聯支路的整流元件通態壓降[VTM]具有一致性。此外，也要注意每個整流元件的反向恢復電荷[Qrr]不要偏差太大，該參數影響整流元件的關斷時間。

4.2 整流支路器件的工藝一致性

整流器中可控硅是構成整流支路的關鍵器件。元件的好壞與橋臂均流系數的提高有很大的關系，與其自身壽命長短也有較大關聯。同時，整流支路中要選用電阻一致性好的快速熔斷器，整流元件的散熱器和支路連接排的工藝一致性要好，要對安裝過程中各個部件螺栓扭力進行一致性要求，在選擇時注意元件性能的穩定，整流橋元件均流調整后，能夠長期維持理想均流狀態運行。另外，采購同一批次的元件也能提高系統運行的可靠性。

4.3 整流橋臂支路的阻抗均流

通過分析整流橋臂磁場對均流的影響，可以得出兩端的整流元件電流大于中間的整流元件電流，可以采用調整整流支路感抗的方式來觖決此問題，對整流支路的連接排采用彎曲制作，并加大兩端的支路連接排彎曲路徑，以增加感抗，從而起到調節均流的作用。

4.4 整流柜的布局

對于整流橋臂磁場影響和相間磁場影響，采用綜短交流橋臂和直流橋臂以減小交鏈磁場的影響，采用增大橋臂間距以減小相間磁場的影響。

對于交流排和直流匯流排的磁場影響，可增大交流排和匯流母排與整流橋臂的距離[7-9]。

4.5 同相逆并聯結構的應用

對于可以采用同相逆并聯的整流器，采用同相逆并聯結構，使其整流臂靠近安裝，可以使同相逆并聯每個橋臂內部的磁場相互抵消，從而不對周邊的整流產生影響，對相間均流和橋臂均流都有較大好處。

4.6 觸發脈沖的保障

對脈沖波形電路選用響應速度快的器件，使脈沖前沿徒。對每個脈沖回路的器件一致進行檢測，使每個晶閘管上的脈沖波形一致性較好，脈沖功率能夠滿足開通要求;選取門極特性一致性好的晶閘管，使晶閘管的開通一致性好。

5 結語

大功率整流器的均流對安全運行具有非常重要的影響。影響均流的因素較多，提高均流系數要從整流柜工作條件、成本、器件、結構和控制等各方面綜合考慮，應在整流器出廠和運行中對各支路均流進行定期測量，增強運行和維護經驗，保障整流柜的均流水平和安全運行。

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