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技術文章

電纜故障測試儀的應用

摘要：電纜故障測試儀的應用因其性能優越、控制方便而廣泛應用于電源、變頻調速裝置和電動汽車等領域。介紹了絕緣柵雙極晶體管（IGBT）在薄膜電容分選機中的應用情況，分析了IGBT在實際應用中應注意的問題。
1 薄膜電容分選機介紹
　　薄膜電容分選機是薄膜電容器生產工藝中的重要設備之一。它具有容量不足（C0）檢測、直流充放電（dVIdt）測試、直流耐壓檢測（DCTV）、絕緣電阻（IR）檢測、損耗及電容容量（DI&AC—D2）測試及分選功能。直流充放電（dV/dt）測試是一項重要的測試。
　　它的主要作用是剔除那些因原材料和工藝上有明顯缺陷而使絕緣強度顯著降低的電容器。
2 直流充放電（dV/dt）測試的原理
　　根據對故障電容器的分析，絕緣強度降低大多數是電容器被擊穿。電容器的擊穿是電容器在工作過程中由于電介質或絕緣體被破壞而導致短路的現象。
      電介質的擊穿主要分為以下3種情況：
　　1）電擊穿：加在電介質上的電壓使電介質微觀結構遭到破壞，致使出現很大的傳導電流而使兩極短路。
　　2）熱擊穿：電介質在長期工作時產生的熱量大于散出的熱量，使介質熱崩潰，發生在高頻、高壓下。
　　3）老化擊穿：電介質在電場長期作用以及外界因素的促使下老化，電性能明顯下降的現象。在生產工廠主要針對前兩種擊穿進行試驗。因此直流充放電測試裝置主要由3個部分組成：直流高壓發生電路，頻率產生和邏輯控制接口電路，充放電開關電路。
　　根據薄膜電容器的生產工藝，不同耐壓值的產品使用的測試電壓不同。對于小型電容器，耐壓*高可達1000V。因此，需要選擇合適的器件作為電子開關。而絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）既具有金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）的快速響應、高輸入阻抗等特點，又具有雙極結型晶體管（BJT）的低通態壓降、高電流密度的特性，適于在這種場合應用。
3 IGBT工作原理
　　電纜故障測試儀的應用（IGBT）是80年代中期問世的一種復合電力電子器件．其輸入控制部分為MOSFET，輸出級為雙級結型三極晶體管。因此，兼有MOSFET和電力晶體管的優點，即高輸人阻抗、電壓控制、驅動功率小、開關速度快等，工作頻率可達到10～40kHz（比電力三極管高），飽和壓降低（比MOSFET小得多，與電力三極管相當），電壓、電流容量較大，**工作區域寬。IGBT本質上是一個場效應管．只是在漏極和漏區之間多了一個P型層。它的開關特性非常接近功率MOSFET，而且導通特性也不受工作電壓影響。IGBT有3個電極，見圖1。
　　柵極G、發射極E和集電極C。輸入部分是一個MOSFET管，輸出部分為一個三極管。當柵極G與發射極E之間的外加電壓UGE=0時，MOSFET管內無導電溝道，IC=0，MOSFET處于斷態在柵極G與發射極E之間的外加控制電壓，可以改變MOSFET管導電溝道的寬度，從而控制了IGBT管的集電極電流。當足夠大時（例如15V），則IGBT進入通態。一旦撤除UGE，即UGE=0，則IGBT器件從通態轉人斷態。
4 IGBT的選擇
　　通常情況下，選擇IGBT模塊時主要應考慮器件的額定電壓和額定電流。根據生產廠家提供的資料（如日本三菱公司的應用手冊），正確選用IGBT有兩個關鍵因素：一是在器件關斷時，在任何被要求的過載條件下，集電極峰值電流都必須小于兩倍的額定電流。二是IGBT工作時內部結點溫度必須始終保持在150°C以下。在任何情況下，包括負載過載時．都必須如此。其次要防止IGBT因過電壓或過電流引起損壞或工作不穩定，必要時應降額使用，以保證應用電路的可靠及穩定。
5 IGBT驅動電路設計
　　IGBT器件在理論上十分容易控制．電纜故障測試儀的應用只要在其柵極施加一定的電壓就可使器件導通，撤掉該電壓后器件關斷。但在實際應用中要注意以下幾點。
　　1）驅動電路能提供一定幅值的正反向柵極電壓。在開通時，要大于器件的開通閥值但不可超過+20V。關斷時，必須為IGBT器件提供一個-5～-l5V的，以便縮短關斷時間，提高IG—BT器件工作的可靠性。
　　2）驅動電路應有隔離的輸人、輸出信號功能，同時信號在驅動電路內部傳輸無延時或延時很短。
　　3）在柵極回路中必須串聯合適的柵極電阻R0增大時，IGBT開關時間長，開關損耗加大；R0太小時，導致IGBT柵極、發射極之間振蕩，引起IGBT集電極產生尖峰電壓，使IGBT損壞。4）驅動電路應具有過電壓保護能力，并有較強的抗干擾能力。
　　目前．生產IGBT器件的廠家生產了多種專用驅動電路可供選擇，如日本三菱公司生產的專用驅動模塊M57962AL2J，它的內部組成見圖2，其各管腳功能分別是：13和14腳是驅動信號輸入端，4腳是正電源端；6腳是負電源端：1腳和2腳是故障信號輸入端：
　　
       M57962AL的主要特點有：
      1）高速輸入、輸出隔離，絕緣強度高達AC2500V／min。
      2）輸入、輸出電平與1TrL電平兼容，適于單片機控制。
      3）內部有定時邏輯短路保護電路，同時具有延時保護特性：
      4）具有可靠通斷措施（采用雙電源）；
      5）驅動功率大，可以驅動600A／600V或400A／1200V的IGBT模塊。
6 實際應用
　　在這次應用中，生產工藝要求充電電壓達到1kv，放電電流達到400A。因此，我們選用了Et本三菱公司的兩單元IGBT模塊（600A／1200V）作為對電容進行充放電的開關。用兩只M57962AL分別驅動上管和下管，保證不會使IGBT兩管直接導通。直流電壓通過IGBT對被測電容充放電過程如下：
　   參考圖3，充電脈沖為高電平時，IGBT模塊上管導通，電纜故障測試儀的應用，下管截止，電流流經C1-E1C2對被測電容器充電；放電脈沖為高電平時，IGBT模塊上管截止，下管導通，被測電容上的電荷通過EIC2一E2釋放
7 結束語
　　絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為一種復合電力電子器件，因其性能優越、控制方便等優點已經在電源、交流電機變頻調速裝置和電動汽車等領域獲得廣泛應用。這個項目將IGBT器件應用到了新的電子專用設備領域，使其工作在直流及容性負載中，在充分掌握了這種器件的各種特性后，IGBT器件的應用領域會更廣闊。

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