从水银整流器到开关整流器

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1、从水银整流器到开关整流器．作者王正元据统计，世界上约有２０－ｖ２５％的电能是以直流电的形式来消费的（这里还不包括高压直流输电所输送的强大直流电能）；而电能的生产又主要是从交流发电机取得。因此。高效率地、安全地、经济合理地把交流电能变换成直流电能是非常必要的。这个环节就是由整流器来完成的。这里不谈早期的“电动机一发电机组”和“机械整流器”，就从水银整流器谈起。２ｏ世纪５０年代，是水银整流器的鼎盛时期。电解冶炼和电化学工业、电力机车牵引，城市无轨电车的整流站……都曾是水银整流器的天下。由于水银整流器的出现，推动了当时“工业电子学”的发展。受到它有数伏的电弧降的限

2、制，它必须工作在较高电压下才能获得较高的运行效率所以采用水银整流器的整流装置取８２５伏直流工作电压，使它的应用灵活性受到极大限制。但更重要的是……１９６４年年底，我们开始批量生产２００Ａ／踟ｏ－１２００Ｖ硅整流元件。当时，３０００Ａ／２５－４０Ｖ电解铜用的磋整流装置和６０００Ａ／２５０Ｖ电解镍用的硅整流装置已经开始运行。一天，从抚顺铝厂来了几位工程师，其中一位摘下鸭舌帽，业已大面积秃顶，他说了句“你们看，我有多大年纪？”嘴一张开，就见牙已掉了好多颗，尚存的牙黑了许多。“您老五十多了吧？”一位小伙子脱口而出。“唉！我刚三十出头啊，这都是水银闹的。你们一定要用硅

3、整流器把我们解救出来。”从水银中毒的虎口中夺取生命，成为我们的无声命令。不久６０００Ａ／８２５Ｖ硅整流器制成功，自此，用全固态化的硅整流器全面替代水银整流器的时代开始了。工业电子学被发展到电力电子学。从各种电力半导体器件为核心元件的新装置、．新系统在国民经济中得到迅速推广应用。这是因为同以往的整流器相比，硅整流器具有更高的运行效率；以元件温州电化总厂曾于１９７９年发生了全国最大的“氯爆”事故，被难职工达５９人，串并联可以组合成适应各种电压、电流、功率的应用需要；其工作寿命之长、维修维护之便得到几十年运行的确认。从那时开始，。随着电力半导体器件的演变，具有不同

4、控制功能和输出功能的半导体整流器又经历了和正经历着三代技术和产品的沿革，以满足不同应用的选择要求。这就是：（１）以硅整流管为主的“可控整流器”；（２）以硅晶闸管为主的“相控整流器”；（３）以功率ＭＯＳ场效应管和ＩＧＢＴ管为主的“开关整流器”。“可控整流器”是自身无法调节的整流器，其电压、电流的调整主要靠外加的变压器有载开关粗调（十几级到几十级）、饱和电抗器细调。它的动态响应速度比较慢、功率因数相对比较低。特别是在大功率装置中，多元件串、并联时的均压、均流问题是必须妥善处理好的。串联均压的难点不在于其静态的电压分配，而在于被串联二极管反向恢复特性（恢复时间ｔｒ

5、ｒ、恢复电荷Ｏｒｒ、恢复电流Ｉｒｒ）的不一致造成的动态均压问题。并联均流差的本质是硅整流二极管的正向通态电阻的负电阻温度系数所致。这样的器件直接并联，尽管挑选它们的通态特性完全一致，也达不到良好的均流效果。试想两个这样的器件并联，受到一定的扰动，电流分配稍有差别，电流稍大的器件发热增加，于是它的电阻减小，造成流进它的电流进一步增——２４８—－加……如果没有相应的外部均流措施，特别是如果不控制它们结温的接近，均流效果会恶性循环而变差的。除了这些半导体器件电流分布的非均匀配置，也会造成有效损耗的增加。于是，在大电流装置中，采用同相逆并联对称结构是十分必要的。“相

6、控整流器”是利用晶闸管正向的开通相位可以从它的门极触发电路得到很宽范围的调整，使其输出电压和输出电流得到很快响应的调节，达到较好的稳流效果。在电解铝系统中，其电解槽出现阳极效应时，需要整流器输出电压迅速升高３０Ｖ左右，以维持槽电流的稳定．这种稳流效果在平果铝厂运行的３００ＫＡ电解铝用的晶闸管装置中得到证实。但是，在电解、电化学运行条件下，属电容性负载，尤其是大电流工作时，开通期间的电流上升率（ｄｉ／ｄｔ）极大，晶闸管容易被ｄｉ／ｄｔ烧坏，这就是历史上“电解电化行业不得推广晶闸管装置”的原因所在。晶闸管开通时，电流沿其阴极的分布是非常不均匀的：初始导通面积很小

7、，而且导通区域的横向扩展速度大约只有ｌ～２咖／１１Ｓ。所以普通晶闸管的ｄｉ／ｄｔ耐量很有限。按照晶闸管的标准，对晶闸管做额定条件下１分钟的ｄｉ／ｄｔ耐量试验只能考验它抗热逸走损坏的能力。而更多的是ｄｉ／ｄｔ的热疲劳损坏，它是运行一段时间后累积性的损坏。平果铝厂大电流晶闸管整流设备较长时间的安全运行表明，合理选择具有更好图形设计的晶闸管，并在较宽脉冲触发晶闸管时采用相应的电流上升阻塞措施，大电流装置里经常烧晶Ｉ．甲Ｊ管的问题是叫＋以被抑制的。如果把ＧＴＯ的分布式图形引用到晶闸管结构中来，其ｄｉ／ｄｔ耐量可以成十倍地提高。这种为电解电化特别的晶闸管有可能彻底解决

8、电解电化装置中容易烧晶闸管的问题。当然，普通晶闸管是