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電纜故障測試儀的應(yīng)用

摘要：電纜故障測試儀的應(yīng)用因其性能優(yōu)越、控制方便而廣泛應(yīng)用于電源、變頻調(diào)速裝置和電動汽車等領(lǐng)域。介紹了絕緣柵雙極晶體管（IGBT）在薄膜電容分選機中的應(yīng)用情況，分析了IGBT在實際應(yīng)用中應(yīng)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(chǎn)工藝中的重要設(shè)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(jù)對故障電容器的分析，絕緣強度降低大多數(shù)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(zhì)或絕緣體被破壞而導(dǎo)致短路的現(xiàn)象。
      電介質(zhì)的擊穿主要分為以下3種情況：
　　1）電擊穿：加在電介質(zhì)上的電壓使電介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)遭到破壞，致使出現(xiàn)很大的傳導(dǎo)電流而使兩極短路。
　　2）熱擊穿：電介質(zhì)在長期工作時產(chǎn)生的熱量大于散出的熱量，使介質(zhì)熱崩潰，發(fā)生在高頻、高壓下。
　　3）老化擊穿：電介質(zhì)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(xiàn)象。在生產(chǎn)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(fā)生電路，頻率產(chǎn)生和邏輯控制接口電路，充放電開關(guān)電路。
　　根據(jù)薄膜電容器的生產(chǎn)工藝，不同耐壓值的產(chǎn)品使用的測試電壓不同。對于小型電容器，耐壓*高可達(dá)1000V。因此，需要選擇合適的器件作為電子開關(guān)。而絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）既具有金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）的快速響應(yīng)、高輸入阻抗等特點，又具有雙極結(jié)型晶體管（BJT）的低通態(tài)壓降、高電流密度的特性，適于在這種場合應(yīng)用。
3 IGBT工作原理
　　電纜故障測試儀的應(yīng)用（IGBT）是80年代中期問世的一種復(fù)合電力電子器件．其輸入控制部分為MOSFET，輸出級為雙級結(jié)型三極晶體管。因此，兼有MOSFET和電力晶體管的優(yōu)點，即高輸人阻抗、電壓控制、驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快等，工作頻率可達(dá)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(dāng)），電壓、電流容量較大，**工作區(qū)域?qū)?。IGBT本質(zhì)上是一個場效應(yīng)管．只是在漏極和漏區(qū)之間多了一個P型層。它的開關(guān)特性非常接近功率MOSFET，而且導(dǎo)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(fā)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(dāng)柵極G與發(fā)射極E之間的外加電壓UGE=0時，MOSFET管內(nèi)無導(dǎo)電溝道，IC=0，MOSFET處于斷態(tài)在柵極G與發(fā)射極E之間的外加控制電壓，可以改變MOSFET管導(dǎo)電溝道的寬度，從而控制了IGBT管的集電極電流。當(dāng)足夠大時（例如15V），則IGBT進入通態(tài)。一旦撤除UGE，即UGE=0，則IGBT器件從通態(tài)轉(zhuǎn)人斷態(tài)。
4 IGBT的選擇
　　通常情況下，選擇IGBT模塊時主要應(yīng)考慮器件的額定電壓和額定電流。根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的資料（如日本三菱公司的應(yīng)用手冊），正確選用IGBT有兩個關(guān)鍵因素：一是在器件關(guān)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(nèi)部結(jié)點溫度必須始終保持在150°C以下。在任何情況下，包括負(fù)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(wěn)定，必要時應(yīng)降額使用，以保證應(yīng)用電路的可靠及穩(wěn)定。
5 IGBT驅(qū)動電路設(shè)計
　　IGBT器件在理論上十分容易控制．電纜故障測試儀的應(yīng)用只要在其柵極施加一定的電壓就可使器件導(dǎo)通，撤掉該電壓后器件關(guān)斷。但在實際應(yīng)用中要注意以下幾點。
　　1）驅(qū)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(guān)斷時，必須為IGBT器件提供一個-5～-l5V的，以便縮短關(guān)斷時間，提高IG—BT器件工作的可靠性。
　　2）驅(qū)動電路應(yīng)有隔離的輸人、輸出信號功能，同時信號在驅(qū)動電路內(nèi)部傳輸無延時或延時很短。
　　3）在柵極回路中必須串聯(lián)合適的柵極電阻R0增大時，IGBT開關(guān)時間長，開關(guān)損耗加大；R0太小時，導(dǎo)致IGBT柵極、發(fā)射極之間振蕩，引起IGBT集電極產(chǎn)生尖峰電壓，使IGBT損壞。4）驅(qū)動電路應(yīng)具有過電壓保護能力，并有較強的抗干擾能力。
　　目前．生產(chǎn)IGBT器件的廠家生產(chǎn)了多種專用驅(qū)動電路可供選擇，如日本三菱公司生產(chǎn)的專用驅(qū)動模塊M57962AL2J，它的內(nèi)部組成見圖2，其各管腳功能分別是：13和14腳是驅(qū)動信號輸入端，4腳是正電源端；6腳是負(fù)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(dá)AC2500V／min。
      2）輸入、輸出電平與1TrL電平兼容，適于單片機控制。
      3）內(nèi)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(qū)動功率大，可以驅(qū)動600A／600V或400A／1200V的IGBT模塊。
6 實際應(yīng)用
　　在這次應(yīng)用中，生產(chǎn)工藝要求充電電壓達(dá)到1kv，放電電流達(dá)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(guān)。用兩只M57962AL分別驅(qū)動上管和下管，保證不會使IGBT兩管直接導(dǎo)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(dǎo)通，電纜故障測試儀的應(yīng)用，下管截止，電流流經(jīng)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(dǎo)通，被測電容上的電荷通過EIC2一E2釋放
7 結(jié)束語
　　絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為一種復(fù)合電力電子器件，因其性能優(yōu)越、控制方便等優(yōu)點已經(jīng)在電源、交流電機變頻調(diào)速裝置和電動汽車等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。這個項目將IGBT器件應(yīng)用到了新的電子專用設(shè)備領(lǐng)域，使其工作在直流及容性負(fù)載中，在充分掌握了這種器件的各種特性后，IGBT器件的應(yīng)用領(lǐng)域會更廣闊。

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