1T非真空感应炉电气调试与故障分析

2017-11-04王海明孙立红冯小雷刘海峰张灿

中国设备工程 2017年20期

关键词：栅极电容器电源

王海明，孙立红，冯小雷，刘海峰，张灿

（河钢集团钢铁技术研究总院，河北石家庄 050000）

1T非真空感应炉电气调试与故障分析

王海明，孙立红，冯小雷，刘海峰，张灿

（河钢集团钢铁技术研究总院，河北石家庄 050000）

基于IGBT的非真空中频电源在感应炉冶炼中具有工作效率高、运行稳定和节能等特点，但是当中频电源与炉体参数设计不合理会导致设备在使用过程中出现很多问题。针对IGBT中频电源在使用过程中屡次出现的问题进行追踪分析。通过对IGBT工作特性和其外围保护电路功能的基本分析，进行故障排查处理。

中频感应；IGBT；驱动电路

基于IGBT功率器件设计的中频电源随着产品成熟度的不断提高，已基本解决该类型产品发展初期积累的各种问题，但随着对产品性能要求的不断提高，伴随新型电子器件的植入又出现一些新的问题。以我单位使用的非真空感应炉IGPS-700-IS型中频电源设备为例，频繁出现故障。现针对该设备进行综合分析，通过对IGBT控制电路和驱动电路对比，同时结合故障现象对冶炼过程中出现的故障进行排查处理。

1 系统组成

非真空感应炉中频电源可分为整流单元和逆变单元两部分，整流单元原理如图1所示。图1中的主回路器件是可控硅、二极管和电抗器，（R视为具有一定内阻消耗的逆变单元）。L1、L2、L3是中频电源380VAC/50Hz进线的接线端，在整流桥前段安装有电流检测装置，通过三相半桥式整流，整流侧输出电压为580V。图2逆变单元A、B两点是接在图1中R两侧的（因为R等效于图2逆变单元的内阻），当电流通过图1整流单元之后给图2电容器组两端蓄压，电压到580V时满足逆变启动条件，这时电源柜可正常启动工作。

图1 整流单元电气原理图

2 故障原因分析及处理

如图3所示，为保证IGBT正常工作且不被突然增高的电流或电压击穿损坏，在设计时就要选择合适的电路参数，特别是对IGBT模块本身要设计外围保护电路。一般来说，IGBT模块常用保护电路有过流保护和过压保护两种。过流保护一般由于电路中短路引起，当电路中发生短路时，IGBT集电极，电流急剧增加并超过额定值，同时IGBT集电极—发射极电压Uce的上升，IGBT功率损耗增加。若IGBT这种状态下运行较长时间则可能因温度过高而烧毁。过压保护一般指IGBT关断时的浪涌电压抑制。

IGBT关断速度很快，在关断或其反并二极管反向恢复时会产生很高的 di/ dt，IGBT内部引线或外部引线存在寄生电感，将引起很高的 Ldi/ dt 电压，即关断浪涌电压。当该电压超过IGBT的正向耐压值时将造成IGBT过压击穿。

图3 IGBT电气原理图

2.1 故障现象一及解决办法

当中频电压运行到1600V时，中频电源内部电抗嗡嗡声增大轻微抖动，发出特别大的非正常的颤抖声，电源柜中发出脉冲式冲击声，判断冲击声是由图1中的电抗器发出，提高功率到中频电压1800V左右设备停止运行，驱动板输出保护信号。

以上故障现象可大致反映出在逆变回路中既存在过电流又存在过电压的情况。功率无法提升且到固定电压值时图1中的电抗器工作出现异常，可以判断出在该工作点逆变回路中有元器件放电，经检查感应圈并无放电痕迹，据此判断主回路中的谐振电容器损坏造成谐振电容器内部耐压值下降至1800以下，在续压过程中每当电压升高到1600V左右时内部极板间放电产生浪涌电压冲击IGBT模块，IGBT模块保护电路检测到过压信号关断IGBT模块。经检查设备停止运行时中频电源输出功率尚不到总功率的50%，用示波器监视发现主回路中频电流亦未突变，所以排除IGBT模块过流保护动作可能。

为解决此现象，特将图2中电容器组中的6枚RFM3．0-1500-1S 型电容器更换为 4 枚 IGCW3．2-4500-0．8型电容器，更换谐振电容器组后以上现象消失。据此说明图2中电容器组中个别电容器存在内部放电现象的推断是正确的，此基础上我们还增大了电容器组的容量，以图2所示主回路中的感应圈和电容器组能有效的构建起谐振电路。

2.2 故障现象二及解决办法

个别谐振电容存在内部放电现象解决后设备能工作在中频电压2200V以下，但是当中频电压达到2300V时，IGBT驱动模块输出保护信号，设备停止运行。

如图3所示IGBT电路，中频电源正常运行时，IGBT工作在正常或饱和状态，IGBT模块工作在正偏电压状态，一般对于IGBT的正偏电压Vge值为+15V正负10%。如果最大值+Vgs过高，可能导致栅极与发射极之间击穿。当IGBT关断时，IGBT工作在反偏电压状态，Vge值为-15V正负10%，反偏电压Vge对IGBT的关断极其重要。Vge越大，关断时间越短，关断损耗越小，但会产生更高的浪涌电压。改变栅极串联的驱动电阻Rg的数值可以改变IGBT导通关断特性，所以当Rg数值设计不合理时在IGBT反向续流二极管关断期间，施加了C-G间的di/dt与dv/dt，可引起栅极电路有电流流过，栅极电阻上产生电压，或在栅极驱动电路产生震荡。以上故障现象其中一个重要原因就是IGBT栅极电阻Rg数值设计与其它系统参数不匹配，使得IGBT模块在工作过程中产生过压或过流扰动信号，致使IGBT驱动电路板保护信号误动作。

如图2，据以上分析我们将逆变模块中的英飞凌FZ400R12KE3型IGBT更换为富士IGBT612型IGBT，驱动由POWER-SEM的PSHI27型IGBT驱动更换为POWER-SEM的PSPC 620P-S17型驱动及PURE S17-1200驱动付板的组合。更换后该故障消失，设备正常运行。如图3所示，更换加在-Rg端的驱动保护电路后设备故障消失且运行良好，说明IGBT和驱动保护电路的选型搭配对设备性能的优劣来说至关重要。