許育周 李 濤 王春生

(中科華核電技術(shù)研究院有限公司，廣東 深圳 518124)

0 引言

棒控系統(tǒng)是核電站反應(yīng)堆十分重要的控制系統(tǒng)，它是控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電源控制裝置［1］。電源柜是棒控系統(tǒng)的重要設(shè)備，其作用是為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的三個(gè)線圈提供相應(yīng)大小的時(shí)序電流，使驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提升、保持和下插控制棒束，以調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率。

目前，國內(nèi)外在役二代或二代加核電站棒控系統(tǒng)主要基于可控硅整流技術(shù)。該技術(shù)決定了輸出電流紋波較大，上升和下降時(shí)間較長(zhǎng)。在某些情況下，電流紋波會(huì)超出閾值引發(fā)電流故障報(bào)警，影響系統(tǒng)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(shù)由于采用了脈寬調(diào)節(jié)等技術(shù)，可以克服可控硅技術(shù)的缺點(diǎn)，因而越來越受到國內(nèi)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(shù)。

1 可控硅棒控系統(tǒng)缺點(diǎn)分析

可控硅是20世紀(jì)五六十年代發(fā)明的半控型整流器件，被廣泛應(yīng)用于電力電子設(shè)備中［2］?？煽毓枋且环N電流驅(qū)動(dòng)的半控型元件，當(dāng)其被觸發(fā)導(dǎo)通后，不能自主關(guān)斷。只有當(dāng)陽極電壓下降到接近或低于陰極電壓時(shí)，可控硅才能關(guān)斷。

可控硅的開關(guān)速度也相對(duì)較慢?？煽毓枧cIGBT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(guān)速度上都比IGBT遜色。

由可控硅構(gòu)成的棒控系統(tǒng)具有輸出電流紋波大、上升和下降時(shí)間較長(zhǎng)、控制電路復(fù)雜等缺點(diǎn)。由于這些缺點(diǎn)，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(tǒng)的棒控系統(tǒng)均將可控硅作為整流元件。由三只可控硅構(gòu)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(fā)展歷史及特點(diǎn)

電力電子器件的發(fā)展經(jīng)歷了可控硅(SCR)、可關(guān)斷可控硅(GTO)、功率晶體管(GTR)、功率場(chǎng)效應(yīng)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(qū)動(dòng)、低損耗、模塊化、復(fù)合化方向發(fā)展。IGBT器件誕生于20世紀(jì)80年代，90年代初進(jìn)入實(shí)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(qū)動(dòng)功率小、控制電路簡(jiǎn)單、通斷速度快、工作頻率高、元件容量大等優(yōu)點(diǎn)［4］。近幾年來，IGBT的性能提高很快，額定電流已達(dá)數(shù)百安培，耐壓達(dá)1500 V以上，而且還在不斷提高。

IGBT是集GTR與MOSFET二者優(yōu)點(diǎn)于一體的復(fù)合器件，它既有MOSFET的輸入阻抗高、速度快、開關(guān)損耗小、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、要求驅(qū)動(dòng)功率小、極限工作溫度高、易驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，又具有GTR的通態(tài)電壓低、耐壓高和電流容量大的優(yōu)點(diǎn)。IGBT為電壓控制通斷的自關(guān)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(shù)十kHz頻率范圍內(nèi)。IGBT正日益廣泛地應(yīng)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(jī)的調(diào)速系統(tǒng)中，在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位，并已開始在上述領(lǐng)域取代GTR和MOSFET。

IGBT技術(shù)經(jīng)過20多年的發(fā)展，現(xiàn)已成為一種非常成熟的產(chǎn)品。其具有電路簡(jiǎn)單、開關(guān)損耗小、工作頻率高和元件容量大等優(yōu)點(diǎn)，在電力電子領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

3 IGBT在棒控系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前，核電站棒控系統(tǒng)主要應(yīng)用的是傳統(tǒng)的可控硅技術(shù)和新型的IGBT技術(shù)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)所要求的電流波形是一種直流脈沖波形，因此可設(shè)計(jì)一種由IGBT構(gòu)成的斬波器［5］。就全控性能而言，IGBT是最適合斬波應(yīng)用的器件，而且技術(shù)簡(jiǎn)單，幾乎IGBT器件本身就構(gòu)成了斬波電路。

目前，IGBT技術(shù)已成功應(yīng)用于廣東嶺澳二期核電站棒控系統(tǒng)、中國原子能研究院快中子反應(yīng)堆的棒控系統(tǒng)。這些反應(yīng)堆的棒控系統(tǒng)運(yùn)行情況良好。

可控硅和IGBT這兩種器件構(gòu)成的棒控系統(tǒng)的性能指標(biāo)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(gòu)成的棒控系統(tǒng)的性能都優(yōu)于可控硅系統(tǒng)。

以嶺澳核電二期棒控系統(tǒng)為例，簡(jiǎn)述IGBT在棒控系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。由IGBT構(gòu)成的主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

嶺澳二期棒控系統(tǒng)主電路由兩塊IGBT構(gòu)成。其中，VT1為斬波管，它的主要作用是對(duì)要求的電流值與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈反饋回來的實(shí)際電流值進(jìn)行比較后，產(chǎn)生不同脈寬的矩形方波，以進(jìn)行電流大小的調(diào)節(jié)。VT2為逆變管，它的主要作用是當(dāng)某時(shí)刻要求電流時(shí)導(dǎo)通，要求切斷電流時(shí)關(guān)斷，達(dá)到控制電流輸出或關(guān)斷的時(shí)間。

通過控制VT1和VT2的導(dǎo)通與關(guān)閉，就可以產(chǎn)生符合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)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(dāng)VT1和VT2都關(guān)斷時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈將產(chǎn)生一個(gè)較強(qiáng)的自感電動(dòng)勢(shì)。為了釋放這個(gè)電動(dòng)勢(shì)的能量，在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈的兩端并聯(lián)一個(gè)電阻R，以釋放其產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)。

這個(gè)電動(dòng)勢(shì)釋放的快慢將直接決定輸出電流的上升和下降時(shí)間。它的時(shí)間常數(shù)為L(zhǎng)/R，其中，L為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈的電感量?？梢?，增大R可以減少自感電動(dòng)勢(shì)的釋放時(shí)間［6］。但是如果R增加得太大，也增加了電阻的功耗，使其發(fā)熱嚴(yán)重。

改進(jìn)方法主要有兩種，其中一種改進(jìn)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(dòng)勢(shì)的釋放時(shí)間。另一種方法是將自感電動(dòng)勢(shì)釋放到電容器中。這種方法不但釋放時(shí)間快，而且將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈的磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化成電能，以供下次動(dòng)作使用，且不產(chǎn)生多余的熱量使機(jī)柜升溫。

4 IGBT使用注意事項(xiàng)

雖然IGBT作為近來非常流行的器件，得到了廣泛應(yīng)用，但I(xiàn)GBT也有其自身的缺點(diǎn)。使用時(shí)應(yīng)該根據(jù)器件的特點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的線路和選擇合適的參數(shù)。

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(shí)間只有數(shù)十微妙。其過流峰值也只約為額定電流值的兩倍。元件實(shí)際允許通過的電流受安全工作區(qū)的限制而減小，導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，元件發(fā)熱越嚴(yán)重，導(dǎo)通電流越小。因此，在選擇IGBT容量時(shí)，一般要選擇額定電流大于實(shí)際工作電流的2～3倍。

②柵極驅(qū)動(dòng)電壓Uge

柵極驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)IGBT的性能有比較大的影響。Uge電壓越高，導(dǎo)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(guān)損耗，應(yīng)使其從截止區(qū)和飽和區(qū)之間的過度時(shí)間盡量短。這就要求Uge脈沖前沿很陡，使IGBT快速開通。在關(guān)斷時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)下降沿陡的反向偏置電壓，使之快速關(guān)斷，減小關(guān)斷損耗。IGBT導(dǎo)通中及瞬時(shí)過載時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)源應(yīng)能提供足夠的功率，使IGBT不退出飽和而損壞。實(shí)際應(yīng)用中，Uge一般取12～15 V。

③柵極電阻Rg

柵極電阻Rg對(duì)IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)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(lián)電阻 Rg。Rg越大，IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間也就越長(zhǎng)，開關(guān)損耗也就越大;Rg越小，導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間也就越短，關(guān)斷損耗也就越小。但Rg過小會(huì)造成di/dt增高，產(chǎn)生較大的集電極電壓尖峰，可能引起誤導(dǎo)通或損壞IGBT。因此，要根據(jù)具體電流容量和電壓額定值及開關(guān)頻率，選擇合適的串聯(lián)阻值，而且柵極串聯(lián)電阻應(yīng)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(dá)幾個(gè)甚至幾十個(gè)兆歐，對(duì)靜電十分敏感。IGBT一般都工作在較高電壓狀態(tài)下。當(dāng)集射極間加有高壓時(shí)，IGBT易受干擾，使柵射電壓超過開啟閾值電壓引起誤導(dǎo)通。在柵射極間并接一柵射電阻Rge可防止此現(xiàn)象發(fā)生。Rge太小，會(huì)使IGBT開通時(shí)間變大，增加IGBT的開關(guān)損耗和降低開關(guān)頻率。通常Rge取(1000～5000)Rg，并將Rge并聯(lián)在柵極與射極最近處。

⑤驅(qū)動(dòng)電路

由于IGBT一般應(yīng)用于電力電子設(shè)備的高壓場(chǎng)合，故驅(qū)動(dòng)電路與控制電路應(yīng)嚴(yán)格隔離。柵極驅(qū)動(dòng)電路要簡(jiǎn)單、實(shí)用，抗干擾性能好，自身保護(hù)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(qiáng)的抗干擾能力。在實(shí)際應(yīng)用中，為達(dá)到更好的效果，在過流保護(hù)上還需采用如軟關(guān)斷、降柵壓等方法;采用鉗位電路防止產(chǎn)生浪涌電壓等［7］。

5 結(jié)束語

IGBT經(jīng)過20多年的應(yīng)用和發(fā)展，已成為一種非常成熟可靠的產(chǎn)品。由于IGBT是一種電壓控制型的全控型器件，控制方式簡(jiǎn)單，適合應(yīng)用于核電站棒控系統(tǒng)中。雖然IGBT存在過流時(shí)間小、容易受干擾等不足之處，但只要合理選擇IGBT的參數(shù)和合理設(shè)計(jì)其驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路等，完全可以避免不足，并充分發(fā)揮IGBT的優(yōu)勢(shì)。

在應(yīng)用IGBT的在役核電站中，棒控系統(tǒng)運(yùn)行良好，由此證明IGBT應(yīng)用于棒控系統(tǒng)是可行而且安全可靠的。

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