勵(lì)磁系統(tǒng)大功率硅元件的簡易檢測李自淳夏維珞符仲恩彭輝張俏春中科院等離子體物理所科聚公司胡先洪陳小明三峽水力發(fā)電廠［摘要］本文介紹了勵(lì)磁系統(tǒng)中所用大功率硅二極管和可控硅管的主要參數(shù)一一大電流通態(tài)壓降（VT）及重復(fù)峰值電壓（VDRM/VRRM）的簡易檢測方法。［關(guān)鍵詞］勵(lì)磁系統(tǒng)大功率硅元件檢測1前言隨著交流勵(lì)磁機(jī)和靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)的普遍應(yīng)用，大功率硅整流元件（二極管和可控硅）的使用越來越頻繁。為了提高勵(lì)磁系統(tǒng)的可靠性和增加勵(lì)磁電源的容量，一般均采用多橋或多柜并聯(lián)運(yùn)行，這里就有一個(gè)各管子間的均流問題。電力部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T650-1998《大型汽輪發(fā)電機(jī)自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)條件》和DL/T583-1995《大中型水輪發(fā)電機(jī)靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)及裝置技術(shù)條件》均規(guī)定：“功率整流裝置的均流系數(shù)一般不小于0.85”，而用戶在招標(biāo)時(shí)往往提出均流系數(shù)不小于0.9?0.95的更高要求。為了滿足如此高的均流要求，除了在電路上采取措施（如我公司用可調(diào)均流磁環(huán)改變各并聯(lián)支路的電感）外，最基本的方法是調(diào)配各管子的大電流伏一安特性，這里就有一個(gè)測大電流通態(tài)壓降（VT）的問題。同樣由于自并勵(lì)靜止勵(lì)磁的廣泛應(yīng)用，勵(lì)磁回路的過電壓保護(hù)問題愈顯突出。因?yàn)榭煽毓韫軗Q相形成的高頻尖峰毛刺電壓峰值遠(yuǎn)高于勵(lì)磁電壓的平均值，使過壓保護(hù)吸能元件（常用氧化鋅壓敏電阻ZnO）的荷電率超過了允許值（DL/T583-1995規(guī)定不大于0.6）。這樣ZnO就不能直接跨接在轉(zhuǎn)子兩端，碳化硅壓敏電阻SiC或線性電阻因泄漏電流大更不能直接跨接。目前國內(nèi)外普遍在吸能元件上串聯(lián)可控硅開關(guān)及二極管，組成“跨接器”（國外叫Crowbar）。對這種可控硅和二極管要求其正反向重復(fù)峰值電壓（vdrm/vrrm）高而穩(wěn)定,漏電流小，才能可靠工作。這樣又提出測量重復(fù)峰值電壓和漏電流的問題。硅元件制造廠肯定有一套專門檢測設(shè)備，但價(jià)格昂貴，用戶因測試量小不可能置備專門設(shè)備。本公司多年來采用普通的試驗(yàn)變壓器和示波器等設(shè)備，成功解決了以上問題。檢測結(jié)果用作勵(lì)磁產(chǎn)品的設(shè)計(jì)組裝依據(jù)，真實(shí)可信，保證了勵(lì)磁產(chǎn)品的質(zhì)量（均流系數(shù)可達(dá)0.98，跨接器安全可靠），得到用戶的肯定。以下把我們所作的簡易有效的檢測方法作一介紹，以供參考。2大功率二極管管壓降伏安特性檢測2.1測試電路如圖1所示，圖中V1、V2為試品。aI至示波器X軸變流器15kVA感應(yīng)調(diào)壓器aI至示波器X軸變流器15kVA感應(yīng)調(diào)壓器25kVA圖1 大功率二極管管壓降伏安特性測試電路IU至示波器Y軸2.2測試方法2.2.1按圖1接好電路。圖中變壓器、變流器及分流器是按試品管電流最大15A配置的，實(shí)際應(yīng)用可根據(jù)測量電流需要及現(xiàn)有設(shè)備情況配置。變壓器和變流器的容量以大為好，但稍小些也無妨，因試驗(yàn)時(shí)間很短（約2分鐘），可以短時(shí)過載。分流器有意選得偏小，這樣短時(shí)過載發(fā)熱不嚴(yán)重，但電流訊號(hào)較強(qiáng)（大于75mV），提高信噪比，有利于抗干擾。2.2.2示波器放在“XY”檔，X和Y通道的輸入選“DC”、“1:1”，并調(diào)好合適的量程。開啟示波器電源，可在屏幕上看到一個(gè)光點(diǎn)（機(jī)內(nèi)掃描停止），將其移動(dòng)到屏幕標(biāo)尺的中心原點(diǎn)處。2.2.調(diào)壓器輸出放在零位，合上其原邊的電源開關(guān)。2.2.4從零開始逐步調(diào)高調(diào)壓器的輸出電壓，觀察示波器的屏幕可以看到如圖2所示的理論波形。隨著輸出電壓的增高，曲線逐漸向兩端擴(kuò)展，到水平軸讀數(shù)到達(dá)預(yù)定的電流值，就停止升壓。這時(shí)屏幕上顯示的即為預(yù)定要求電流下的管壓降伏安特性。這是兩只試品的特性，按圖1接線，左邊是V1的，右邊是V2的，這樣一次可以做二只管子，提高工效。2.2.5為避免試品及試驗(yàn)設(shè)備發(fā)熱，每次通電時(shí)間不要超過2分鐘，如來不及讀數(shù)可把屏幕波形拍照留存。然后迅速把調(diào)壓器輸出電壓降到零，切斷電源。3大功率可控硅管管壓降伏安特性檢測3.1測試電路電路和圖1相同，只是試品可控硅要加自觸發(fā)電路，見圖3,將該部分電路接到圖1所示變流器的輸出端a-x圖3中，V1、V2為試品可控硅，D為小功率二極管，R為電阻。R的阻值可根據(jù)試品觸發(fā)電流的大小調(diào)整，電阻小則觸發(fā)電壓低。3.2測試方法全部和2.2相同，只是在示波器屏幕上看到的波形如圖4所示（理論波形）。在垂直軸附近的兩個(gè)尖峰是可控硅管自觸發(fā)的波形，觸發(fā)電壓不一定是圖示的2.5V，決定于管子的觸發(fā)電流和R的阻值，此值大小對管壓降伏安特性沒有影響，只需調(diào)整到便于觀察就行。圖2二極管壓降檢測示波器顯示波形（理論）圖3圖2二極管壓降檢測示波器顯示波形（理論）圖3試品可控硅部分測試電路電壓的檢測4.1測試電路圖中：TB一自耦調(diào)壓變壓器SB一試驗(yàn)變壓器見圖5。圖中：TB一自耦調(diào)壓變壓器SB一試驗(yàn)變壓器DL—高壓硅堆R一限流電阻R1/R2-電阻分壓器R3—分流電阻X一電流訊號(hào)，送示波器X圖4可控硅管壓降檢測示波器波形（理論）軸通道Y一電壓訊號(hào)，送示波器Y軸通道圖5硅整流元件重復(fù)峰值電壓測試電路圖圖6重復(fù)峰值電壓檢測示波器波形（理論）Y(U)4.2測試方法4.2.1按圖5接好電路。4.2.2示波器放在“X-Y”檔，X和Y通道的輸入選“DC”、“1:1”，并調(diào)好合適量程。開啟示波器電源，把光點(diǎn)移到“零位”。4.2.3把TB放到零位，合上原邊的電源開關(guān)。4.2.4從零開始逐步調(diào)高TB的輸出電壓，可以在示波器上看到如圖6所示的理論波形。開始漏電流很小，波形基本是一條垂直線，隨著電壓升高，直線頂尖逐漸上升，到一定時(shí)候開始向右方偏斜，說明漏電流增大。電壓升到管子標(biāo)稱的重復(fù)峰值電壓值（Vdrm/VRRM），漏電流不超過1mA為合格。4.2.5曲線挺直說明漏電流小，為上品；向右傾斜說明有一定漏電流，如不超過1mA豎線，仍為合格，但品質(zhì)較差；如電壓尚未升到標(biāo)稱的重復(fù)峰值電壓，漏電流已超過1mA，則判為不合格，不再升高電壓以免損壞管子（注意曲線頂尖不能超出圖6中陰影范圍）。這樣的管子不能用來裝“跨接器”，可改作其他用或到制造廠退換。5說明5.1以上試驗(yàn)均在常溫下進(jìn)行，環(huán)境溫度25C±10C。5.2管子應(yīng)正常裝夾散熱器，如單測管芯應(yīng)加專用夾具夾緊,才能檢測。5.3重復(fù)峰值電壓對二極管就是反向電壓Vrrm，對可控硅分正向斷態(tài)（vdrm）和反向（vrrm）二次測試，方法相同。測可控硅時(shí)控制極懸空絕緣。5.4以上對重復(fù)峰值電壓和漏電流的合格要求不符合硅整流元件的國標(biāo)，但對裝“跨接器”的特殊情況，有必要提出特殊的要求。我公司以企標(biāo)形式規(guī)定，并取得硅元件生產(chǎn)廠的認(rèn)可，執(zhí)行多年，情況良好。5.5抗干擾問題示波器是靈敏電子器件，易受空間電磁波干擾，應(yīng)注意抗干擾措施，如接好地線、引線和外殼屏蔽等。如發(fā)現(xiàn)干擾大可適當(dāng)減小分流器的標(biāo)稱電流或加大分流電阻R3的阻值，以提高信噪比。另外如屏幕波形上疊加有干擾波，可由人工鑒別，讀數(shù)時(shí)不予理會(huì)。5.6硅管結(jié)電容的影響硅二極管及可控硅管芯的p-n結(jié)，可等效成一個(gè)非線性電阻和結(jié)電容并聯(lián)的電路（見圖7）。特別大功率管的結(jié)電容較大，不可忽略其影響。由于結(jié)電容的影響，在測試中產(chǎn)生容性電流，它正比于電壓的變化率du/dt相位上導(dǎo)前于電壓。由于容性電流的影響，實(shí)際測試時(shí)看到的波形與圖2、圖4和圖6所示的理論波形不同，而是如圖8、圖9和圖10所示。因容性電流和電壓不同相，看上去波形“開花”了。讀數(shù)時(shí)可以不理會(huì)曲線正負(fù)迂回的過程，只要抓住“頂尖”點(diǎn)（圖中標(biāo)以P）就行，讀出“頂