大功率整流器多个支路并联的均流分析

侯丰

摘 要：针对目前大功率整流器的使用情况，本文首先对均流进行简述，然后探讨影响大功率整流器多个支路并联的均流的因素，最后提出解决办法，以期为相关学者的研究提供借鉴。

关键词：均流;大功率整流器;多支路并联

中图分类号：TM461 文献标识码：A 文章编号：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

整流系统主要由整流变压器、滤波器、整流柜等装置组成。其中，整流变压器的损耗在整流系统部件中占有很大一部分;整流柜中的电力电子器件是整个整流系统的核心部件。目前，国内外大功率整流系统大多采用二极管、晶闸管作为整流元件。半导体二极管的出现开辟了能量变换的新方式，由其构成的整流系统具有谐波小的优点，但二极管的开通与断开不能控制。随着晶闸管的出现，以晶闸管为代表的整流技术具有调压范围广、精度高、可靠、高效率以及控制灵活、操作简单的优点，并且在相关领域得到了广泛应用和发展。近年来，GTR、GTO、MOSFET和IGBT等这些大功率可关断器件，在整流系统中得到了应用，具有控制灵活、谐波减小等优点。但是，目前可关断器件的价格、电路复杂、产生高次谐波、耐压等级、容量等因素限制了晶闸管在实际工程中的广泛应用。

目前，晶闸管整流在我国电解领域占有主导地位。大功率整流系统在电解化工行业大多应用多重化技术，基于新型整流变压器的整流系统不仅可以减少整流系统对整个电力系统的谐波污染，而且还可以减小输出的电压和电流畸变率。在大电流工业应用中，晶闸管相控整流器是最常用的技术。晶闸管整流器效率较高，约为97%[1-3]。晶闸管整流器的主要优势是高效率、高可靠性、负载电流控制得好、成本低和技术成熟。由于电解工艺不断进步，大规模电解槽需要的直流电流从几十千安到几百千安不等，整流系统采用大功率多机组并联的方式为电解槽提供电源，单台6脉波晶闸管整流柜的电流最高达到几十千安，二极管整流柜的电流甚至更高。当整流柜的电流要求达到一定值时，由于器件容量等原因，需要多个整流元件并联供电才能满足要求。整流元件并联使用过程中，每个支路的均流问题严重影响整流器的安全运行。本文从器件、布局、脉冲触方多个影响均流的方面进行分析，针对晶闸管整流器多支路并联均流方式进行探讨，提高均流水平，为整流器的安全运行提供帮助。

2 均流介绍

为了满足电化学工业所需直流大电流的要求，在设计制造中都采用大功率硅（可控硅）整流器，在一个桥臂上并联多个元件，增大单个整流器直流输出电流，整流侧采用多台整流器并联运行的方式向生产提供足够的系列大电流。为提高整流器的运行效率、减少各环节的功率损耗，实现节能降耗作用，必须提高对整流器均流系数的要求。

2.1 均流系数

从图3可知，各支路在导通期间，由于受磁场的影响，在开通时两端的整流元件上升快，中间的整流元件上升慢。开通后一段时间，所有支路元件的电流趋于平衡。

3.4 整流桥桥臂间互感

在大功率整流中，三相桥式整流电路由6个整流橋臂构成，三相相A、B、C各有一个正桥臂和负桥臂。由于整流柜空间的限制，整流桥臂布局在一个柜内，桥臂间和桥臂支路间的磁场会产生互相干扰。如图4所示，桥臂的导通顺序为1-2-3-4-5-6-1循环，任一时刻都有两个桥臂同时导通。如图5所示，起始时刻为6-1同时导通，在1导通的中间时刻，6和2换相，变为1-2导通;在2的中间时刻，1和3换相，变为2-3导通，以此类推顺序循环导通。以1号桥臂来分析，其导通的前一半时间是1-6号桥臂共同导通，后一半时间是2-3号桥臂共同导通。从结构上来看，6号桥臂靠近1号桥臂，而2号桥臂远离1号桥臂，因此，导通的前半部分受6号桥臂的磁场影响大，而导通的后半部分受2号桥臂的影响小。这种情况对中间的四个桥臂2-3-6-1影响基本相同，而对靠近两侧的桥臂5-4则影响很小。这种情况会造成中间四个桥臂导通时前半部分和后半部分电流不一致。

3.5 晶闸管的脉冲

对于晶闸管整流器，各支路晶闸管的脉冲一致性、脉冲功率、脉冲前沿上升率和晶闸乏怕门极参数一致性会对晶闸管的开通一致性产生影响。

3.6 其他因素

3.6.1 交流侧进线排和直流侧汇流母排的影响。以下进上出为例，交流侧进线磁场会对整流臂下部的整流支路产生影响，直流侧汇流母排的磁场会对整流臂上部的整流支路产生影响。对于交流侧采用铜排互联的整流桥，由于其铜排明显呈现阻性，即电阻远大于电感，所以可以根据改变铜排的电阻来达到均流的目的。比如，通过在铜排上打孔的方式改变电阻的均流方式。

3.6.2 直流汇流母排的汇流方式的影响。侧部出线的整流器汇流母线电流由内侧向外侧电流逐步增大，中间出线的整流器汇流母线由两侧向中间电流逐步增大，因此，汇流母线电流磁场对每个桥臂的影响不一致，会造成桥臂间电流的不一致，对每个桥臂的上部元件的影响也不一致，从而影响桥臂上支路的均流。

4 提高均流系数的方法

4.1 整流元件参数的筛选

对于影响均流的整流元件参数整流管门槛电压[VTo]和整流管斜坡电阻[rT]，厂家在出厂时提供的是在125℃温度条件和一定通态电流条件测量的通态压降[VTM]，不能完全反映电流上升的动态压降变化曲线，也不能反映温度变化条件下的通态压降，因为在运用中往往不会应用在额定最大温度条件下。因此，在大功率多支路并联条件下，应要求厂家提供两点以上电流条件和三点温度条件下的管压降，根据这些条件下的通态压降[VTM]进行匹配，使每个桥臂并联支路的整流元件通态压降[VTM]具有一致性。此外，也要注意每个整流元件的反向恢复电荷[Qrr]不要偏差太大，该参数影响整流元件的关断时间。

4.2 整流支路器件的工艺一致性

整流器中可控硅是构成整流支路的关键器件。元件的好坏与桥臂均流系数的提高有很大的关系，与其自身寿命长短也有较大关联。同时，整流支路中要选用电阻一致性好的快速熔断器，整流元件的散热器和支路连接排的工艺一致性要好，要对安装过程中各个部件螺栓扭力进行一致性要求，在选择时注意元件性能的稳定，整流桥元件均流调整后，能够长期维持理想均流状态运行。另外，采购同一批次的元件也能提高系统运行的可靠性。

4.3 整流桥臂支路的阻抗均流

通过分析整流桥臂磁场对均流的影响，可以得出两端的整流元件电流大于中间的整流元件电流，可以采用调整整流支路感抗的方式来觖决此问题，对整流支路的连接排采用弯曲制作，并加大两端的支路连接排弯曲路径，以增加感抗，从而起到调节均流的作用。

4.4 整流柜的布局

对于整流桥臂磁场影响和相间磁场影响，采用综短交流桥臂和直流桥臂以减小交链磁场的影响，采用增大桥臂间距以减小相间磁场的影响。

对于交流排和直流汇流排的磁场影响，可增大交流排和汇流母排与整流桥臂的距离[7-9]。

4.5 同相逆并联结构的应用

对于可以采用同相逆并联的整流器，采用同相逆并联结构，使其整流臂靠近安装，可以使同相逆并联每个桥臂内部的磁场相互抵消，从而不对周边的整流产生影响，对相间均流和桥臂均流都有较大好处。

4.6 触发脉冲的保障

对脉冲波形电路选用响应速度快的器件，使脉冲前沿徒。对每个脉冲回路的器件一致进行检测，使每个晶闸管上的脉冲波形一致性较好，脉冲功率能够满足开通要求;选取门极特性一致性好的晶闸管，使晶闸管的开通一致性好。

5 结语

大功率整流器的均流对安全运行具有非常重要的影响。影响均流的因素较多，提高均流系数要从整流柜工作条件、成本、器件、结构和控制等各方面综合考虑，应在整流器出厂和运行中对各支路均流进行定期测量，增强运行和维护经验，保障整流柜的均流水平和安全运行。

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