IGBT在核电站棒控系统中的应用

许育周 李 涛 王春生

(中科华核电技术研究院有限公司，广东 深圳 518124)

0 引言

棒控系统是核电站反应堆十分重要的控制系统，它是控制棒驱动机构的电源控制装置［1］。电源柜是棒控系统的重要设备，其作用是为驱动机构的三个线圈提供相应大小的时序电流，使驱动机构提升、保持和下插控制棒束，以调节反应堆功率。

目前，国内外在役二代或二代加核电站棒控系统主要基于可控硅整流技术。该技术决定了输出电流纹波较大，上升和下降时间较长。在某些情况下，电流纹波会超出阈值引发电流故障报警，影响系统的安全性。

基于绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)的整流技术由于采用了脉宽调节等技术，可以克服可控硅技术的缺点，因而越来越受到国内外厂商的重视。岭澳二期核电站、欧洲EPR三代核电站采用了IGBT技术。

1 可控硅棒控系统缺点分析

可控硅是20世纪五六十年代发明的半控型整流器件，被广泛应用于电力电子设备中［2］。可控硅是一种电流驱动的半控型元件，当其被触发导通后，不能自主关断。只有当阳极电压下降到接近或低于阴极电压时，可控硅才能关断。

可控硅的开关速度也相对较慢。可控硅与IGBT的性能比较如表1所示。

表1 可控硅与IGBT性能比较Tab.1 Performance comparison for SCR and IGBT

由表1可知，可控硅的灵活性、工作频率、开关速度上都比IGBT逊色。

由可控硅构成的棒控系统具有输出电流纹波大、上升和下降时间较长、控制电路复杂等缺点。由于这些缺点，近年来，人们开始使用新型的功率器件IGBT作为整流器件。

传统的棒控系统均将可控硅作为整流元件。由三只可控硅构成的三相半波整流主电路如图1所示。

图1 可控硅三相半波整流电路Fig.1 Three phase half wave rectification based on SCR

2 IGBT发展历史及特点

电力电子器件的发展经历了可控硅(SCR)、可关断可控硅(GTO)、功率晶体管(GTR)、功率场效应管(MOSFET)和绝缘栅晶体管(IGBT)等阶段［3］。目前，电力电子器件正朝着大容量、高频率、易驱动、低损耗、模块化、复合化方向发展。IGBT器件诞生于20世纪80年代，90年代初进入实用化。与其他电力电子器件相比，IGBT具有电压型控制、输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、通断速度快、工作频率高、元件容量大等优点［4］。近几年来，IGBT的性能提高很快，额定电流已达数百安培，耐压达1500 V以上，而且还在不断提高。

IGBT是集GTR与MOSFET二者优点于一体的复合器件，它既有MOSFET的输入阻抗高、速度快、开关损耗小、驱动电路简单、要求驱动功率小、极限工作温度高、易驱动的特点，又具有GTR的通态电压低、耐压高和电流容量大的优点。IGBT为电压控制通断的自关断器件，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于数十kHz频率范围内。IGBT正日益广泛地应用于体积小、噪声低、性能高的变频电源及大功率的交流伺服电机的调速系统中，在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位，并已开始在上述领域取代GTR和MOSFET。

IGBT技术经过20多年的发展，现已成为一种非常成熟的产品。其具有电路简单、开关损耗小、工作频率高和元件容量大等优点，在电力电子领域得到了广泛应用。

3 IGBT在棒控系统中的应用

目前，核电站棒控系统主要应用的是传统的可控硅技术和新型的IGBT技术。驱动机构所要求的电流波形是一种直流脉冲波形，因此可设计一种由IGBT构成的斩波器［5］。就全控性能而言，IGBT是最适合斩波应用的器件，而且技术简单，几乎IGBT器件本身就构成了斩波电路。

目前，IGBT技术已成功应用于广东岭澳二期核电站棒控系统、中国原子能研究院快中子反应堆的棒控系统。这些反应堆的棒控系统运行情况良好。

可控硅和IGBT这两种器件构成的棒控系统的性能指标比较如表2所示。

表2 两种方案性能比较Tab.2 Compare of two schemes performance

从表2可以看出，由IGBT构成的棒控系统的性能都优于可控硅系统。

以岭澳核电二期棒控系统为例，简述IGBT在棒控系统中的应用情况。由IGBT构成的主电路结构如图2所示。

岭澳二期棒控系统主电路由两块IGBT构成。其中，VT1为斩波管，它的主要作用是对要求的电流值与驱动机构线圈反馈回来的实际电流值进行比较后，产生不同脉宽的矩形方波，以进行电流大小的调节。VT2为逆变管，它的主要作用是当某时刻要求电流时导通，要求切断电流时关断，达到控制电流输出或关断的时间。

通过控制VT1和VT2的导通与关闭，就可以产生符合驱动机构要求的电流波形。

图2 IGBT主电路图Fig.2 Main circuit of IGBT

各管子的控制脉冲波形和输出电流波形如图3所示。

图3 控制脉冲波形和输出电流波形Fig.3 Control pulse waveform and output current waveform

当VT1和VT2都关断时，驱动机构线圈将产生一个较强的自感电动势。为了释放这个电动势的能量，在驱动机构线圈的两端并联一个电阻R，以释放其产生的自感电动势。

这个电动势释放的快慢将直接决定输出电流的上升和下降时间。它的时间常数为L/R，其中，L为驱动机构线圈的电感量。可见，增大R可以减少自感电动势的释放时间［6］。但是如果R增加得太大，也增加了电阻的功耗，使其发热严重。

改进方法主要有两种，其中一种改进的方法是用齐纳二极管代替电阻，这种方法可以大大减少自感电动势的释放时间。另一种方法是将自感电动势释放到电容器中。这种方法不但释放时间快，而且将驱动机构线圈的磁场能量转化成电能，以供下次动作使用，且不产生多余的热量使机柜升温。

4 IGBT使用注意事项

虽然IGBT作为近来非常流行的器件，得到了广泛应用，但IGBT也有其自身的缺点。使用时应该根据器件的特点设计相应的线路和选择合适的参数。

①IGBT容量选择

IGBT的过流能力比可控硅的过流能力要弱一些，一般过流时间只有数十微妙。其过流峰值也只约为额定电流值的两倍。元件实际允许通过的电流受安全工作区的限制而减小，导通时间越长，元件发热越严重，导通电流越小。因此，在选择IGBT容量时，一般要选择额定电流大于实际工作电流的2～3倍。

②栅极驱动电压Uge

栅极驱动电压对IGBT的性能有比较大的影响。Uge电压越高，导通压降越低，但受到器件性能限制，一般不能超过20 V。为了减小IGBT的开关损耗，应使其从截止区和饱和区之间的过度时间尽量短。这就要求Uge脉冲前沿很陡，使IGBT快速开通。在关断时，应设计下降沿陡的反向偏置电压，使之快速关断，减小关断损耗。IGBT导通中及瞬时过载时，栅极驱动源应能提供足够的功率，使IGBT不退出饱和而损坏。实际应用中，Uge一般取12～15 V。

③栅极电阻Rg

栅极电阻Rg对IGBT的导通和关断时间影响很大。为了改善控制脉冲前后沿陡度，减少IGBT集电极大的电压尖脉冲，需在栅极串联电阻 Rg。Rg越大，IGBT的导通和关断时间也就越长，开关损耗也就越大;Rg越小，导通和关断时间也就越短，关断损耗也就越小。但Rg过小会造成di/dt增高，产生较大的集电极电压尖峰，可能引起误导通或损坏IGBT。因此，要根据具体电流容量和电压额定值及开关频率，选择合适的串联阻值，而且栅极串联电阻应随着IGBT电流容量的增加而减小。Rg一般为十几至几百欧姆。

④栅射电阻Rge

IGBT的栅极输入阻抗是十分高的，通常高达几个甚至几十个兆欧，对静电十分敏感。IGBT一般都工作在较高电压状态下。当集射极间加有高压时，IGBT易受干扰，使栅射电压超过开启阈值电压引起误导通。在栅射极间并接一栅射电阻Rge可防止此现象发生。Rge太小，会使IGBT开通时间变大，增加IGBT的开关损耗和降低开关频率。通常Rge取(1000～5000)Rg，并将Rge并联在栅极与射极最近处。

⑤驱动电路

由于IGBT一般应用于电力电子设备的高压场合，故驱动电路与控制电路应严格隔离。栅极驱动电路要简单、实用，抗干扰性能好，自身保护功能完整，到IGBT的引出线尽量短，且采用双绞线，使电路有较强的抗干扰能力。在实际应用中，为达到更好的效果，在过流保护上还需采用如软关断、降栅压等方法;采用钳位电路防止产生浪涌电压等［7］。

5 结束语

IGBT经过20多年的应用和发展，已成为一种非常成熟可靠的产品。由于IGBT是一种电压控制型的全控型器件，控制方式简单，适合应用于核电站棒控系统中。虽然IGBT存在过流时间小、容易受干扰等不足之处，但只要合理选择IGBT的参数和合理设计其驱动和保护电路等，完全可以避免不足，并充分发挥IGBT的优势。

在应用IGBT的在役核电站中，棒控系统运行良好，由此证明IGBT应用于棒控系统是可行而且安全可靠的。

［1］苏林森，杨辉玉，王复生，等.900MW压水堆核电站系统与设备［M］.北京:原子能出版社，2007:277－282.

［2］舒华.关于晶闸管电路及其应用教学方法探索［J］.中国电力教育，2011(4):73－74.

［3］侯圣语，刘建坤.电力电子技术的发展及应用［J］.企业技术开发，2011，30(12).

［4］陈骞，贺明智，郑琼林.两种IGBT的性能参数比较和选型［J］.电力电子技术，2011，45(6):106 －108.

［5］唐磊，徐政，陶江平，等.大功率交流斩波器的研究与开发［J］.电力电子技术，2011，45(7):124 －126.

［6］冯艳虹.IGBT逆变桥无源无损缓冲电路的研究［D］.北京:华北电力大学，2004.

［7］卫三民，李发海.一种大功率IGBT实用驱动及保护电路［J］.清华大学学报:自然科学版，2001，41(9):55－58.