晶閘管暫態(tài)模型研究及其應(yīng)用

鄭欣良，何娜，高強(qiáng)

（海軍工程大學(xué)， 武漢 430033）

晶閘管暫態(tài)模型研究及其應(yīng)用

鄭欣良，何娜，高強(qiáng)

（海軍工程大學(xué)， 武漢 430033）

晶閘管關(guān)斷時(shí)過電壓是晶閘管損壞的一個(gè)主要原因，所以準(zhǔn)確有效的分析晶閘管的暫態(tài)關(guān)斷特性對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和晶閘管應(yīng)用是非常重要的?；诖隧?xiàng)原因，本文系統(tǒng)地研究了晶閘管暫態(tài)恢復(fù)過程特性，針對(duì)晶閘管電流脈動(dòng)特點(diǎn)，詳細(xì)的分析了其暫態(tài)關(guān)斷過程，建立了其暫態(tài)恢復(fù)過程的數(shù)學(xué)模型，分析了在三相整流電路中晶閘管模型的工作情況，并利用軟件進(jìn)行了仿真實(shí)現(xiàn),仿真結(jié)果與理論分析基本一致，驗(yàn)證了工作的正確性。

晶閘管 關(guān)斷過電壓 暫態(tài)恢復(fù)模型

0 引言

晶閘管廣泛應(yīng)用于高電壓、大功率的電力電子系統(tǒng)中，其晶閘管的反向恢復(fù)過電壓?jiǎn)栴}受到了越來越多的關(guān)注。影響晶閘管反向恢復(fù)過電壓的因素是多方面的，如果電路參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)，過電壓不僅會(huì)使元件擊穿，而且還會(huì)影響到周圍設(shè)備的絕緣。通過構(gòu)造晶閘管模型可預(yù)測(cè)晶閘管導(dǎo)通、關(guān)斷過程中的瞬態(tài)電流、電壓，為合理設(shè)計(jì)晶閘管吸收電路、確定器件的安全工作條件提供依據(jù)[1,2]。本文研究了晶閘管暫態(tài)恢復(fù)特性，詳細(xì)的分析了其暫態(tài)關(guān)斷過程，建立了其暫態(tài)恢復(fù)模型，驗(yàn)證了晶閘管暫態(tài)恢復(fù)特性。最后仿真結(jié)果與理論分析相吻合較好的驗(yàn)證了本文所做工作的正確性。

1 晶閘管暫態(tài)特性的研究

1.1 晶閘管暫態(tài)特性

晶閘管是三端四層半導(dǎo)體開關(guān)器件，共有三個(gè)PN結(jié)，屬于雙極性功率器件，具有低摻雜、大注入的基區(qū)。晶閘管在導(dǎo)通時(shí)，基區(qū)被注入了大量的載流子（空穴和電子）。晶閘管在關(guān)斷時(shí)，由于基區(qū)存儲(chǔ)的載流子不能立即消失，不可能立即恢復(fù)其阻斷能力，必須先將其內(nèi)部的剩余載流子復(fù)合掉，晶閘管才能恢復(fù)阻斷，該過程被稱為晶閘管的反向恢復(fù)過程，如圖1所示。圖1中給出了晶閘管關(guān)斷時(shí)的電壓電流變化曲線，可以看出在電流過零時(shí)晶閘管還無法關(guān)斷，而是以電路漏感決定的換向斜率di/dt在反方向建立恢復(fù)電流，即電流繼續(xù)下降轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值，直到電荷完全被復(fù)合掉，這時(shí)電流達(dá)到反向最大值IRM，此時(shí)晶閘管恢復(fù)反向阻斷能力，并可靠關(guān)斷，由于晶閘管關(guān)斷，此反向電流開始迅速減小趨向于零。由于反向電流峰值相當(dāng)高，并且關(guān)斷時(shí)間非常短，普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾十微秒左右，用于高頻開關(guān)電路的高頻晶閘管的關(guān)斷時(shí)間小于10 μs，在恢復(fù)電流快速衰減時(shí)，在相連電路的電感（包括導(dǎo)線電感）上會(huì)出現(xiàn)比較大的電壓跳變?chǔ)，此感應(yīng)電壓與固有的加在晶閘管上面的反向反壓一起將引起晶閘管兩端出現(xiàn)尖峰電壓VRRM，這個(gè)電壓如果太大，就會(huì)損壞晶閘管。

1.2 晶閘管關(guān)斷過程的詳細(xì)分析

上面分析了晶閘管關(guān)斷暫態(tài)特性，下面將詳細(xì)研究晶閘管關(guān)斷過程，圖2是用來分析晶閘管從正向?qū)ǖ椒聪蜿P(guān)斷的常用電路。

圖2 分析晶閘管關(guān)斷過程的常用電路

電路工作過程如下：開始事，開關(guān)S1打到1的位置，晶閘管導(dǎo)通，流過電流為ISCR，此時(shí)晶閘管承受電壓為零，吸收電路（RS、CS）不起作用，在t=tT時(shí)刻，S1打到2的位置，則反向電壓VR加到晶閘管兩側(cè)，使晶閘管承受反向電壓，晶閘管開始進(jìn)入關(guān)斷過程。整個(gè)關(guān)斷過程可分為下面四個(gè)階段：

第一階段：如圖3（a）所示，此時(shí)晶閘管正常導(dǎo)通，流過電流i=iSCR=iT。此時(shí)晶閘管中流過電流對(duì)應(yīng)于圖3（b）中箭頭所指階段。

第二階段：在時(shí)間t=tT時(shí)刻，將開關(guān)打到2的位置，電路如圖4（a）所示，反向電壓VR加載到晶閘管兩端，此時(shí)晶閘管不會(huì)立即截止而仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，所以吸收電路仍然不起作用，由于電感LC的作用，電流以斜率di/dt=VR/LC的速率開始下降，直到衰減為零。（對(duì)應(yīng)圖4（b）中箭頭所指區(qū)域）

圖3第一階段圖像

第三階段：如圖5所示，當(dāng)電流下降到零，晶閘管本該關(guān)斷，但由于器件內(nèi)部特性，內(nèi)部載流子還存儲(chǔ)了過剩的電荷，需要復(fù)合掉這些電荷器件才能關(guān)斷，所以在電流下降到零之后會(huì)反向繼續(xù)流動(dòng)，這個(gè)時(shí)候晶閘管仍然處在導(dǎo)通狀態(tài)，直到達(dá)到反向恢復(fù)電流最大值的IRM，此時(shí)載流子電荷消耗完畢，器件恢復(fù)關(guān)斷。（對(duì)應(yīng)圖5（b）中箭頭所指區(qū)域）

第四階段：如圖6所示，反向電流達(dá)到最大值IRM后，隨著晶閘管器件的阻斷功能的恢復(fù)，反向電流迅速衰減到零，（對(duì)應(yīng)圖6（b）中箭頭所指區(qū)域）。這個(gè)大的電流變化率，會(huì)在電路的雜散電感上面感應(yīng)出較大的反向電壓ΔV，與固有反向電壓VR一起加在晶閘管上，如果電壓之和達(dá)到一定的程度，則管子會(huì)損壞擊穿損壞，這就是晶閘管關(guān)斷過電壓損壞，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)這種情況。

圖4 第二階段圖像

圖5 第三階段圖像

從上面分析可以看出，晶閘管關(guān)斷時(shí)承受的反壓VAK是由兩部分組成：一部分是固有加載反向電壓VR，一部分是由于電流快速變化感應(yīng)出的電壓ΔV，VR是不能改變的，所以要想保護(hù)晶閘管，只能減小ΔV，有兩個(gè)辦法，一個(gè)是增大電流衰減時(shí)間來減小di/dt，另外一個(gè)方法就是通過加入吸收電路，來分擔(dān)電流，從而減小di/dt。對(duì)于目前來說，比較常用有效的辦法都是加裝吸收電路RC。

圖6 第四階段圖像

通常所說的晶閘管關(guān)斷暫態(tài)過程是指電流為負(fù)值的情況，即上面圖5與圖6所指的這兩部分：電流下降為反向最大與快速衰減到零。

1.3 晶閘管暫態(tài)關(guān)斷模型

對(duì)于晶閘管暫態(tài)恢復(fù)過程的數(shù)學(xué)描述，有兩個(gè)數(shù)學(xué)模型，一個(gè)是指數(shù)函數(shù)模型，一個(gè)是雙曲線函數(shù)模型，分別如式（1）、（2）所示。利用指數(shù)函數(shù)模型來模擬反向恢復(fù)電流，有效克服了假定晶閘管突然完全截止分析方法的缺點(diǎn)，對(duì)于絕大多數(shù)“軟恢復(fù)”的晶閘管均很適合，并能夠得到較為精確的結(jié)果，而且大量實(shí)踐證明用指數(shù)模型完全可以滿足工程設(shè)計(jì)要求，雖然計(jì)算比較繁瑣，但通過計(jì)算機(jī)仿真很容易實(shí)現(xiàn)。另外，也有文獻(xiàn)建議采用雙曲函數(shù)來近似模擬反向恢復(fù)電流，可以使峰值處的過渡更加自然，更接近實(shí)際的恢復(fù)電流波形，在某些場(chǎng)合比指數(shù)模型還精確一些；但是由于雙曲函數(shù)的時(shí)間參數(shù)確定比較復(fù)雜，不太適合一般工程應(yīng)用，對(duì)一般的應(yīng)用者有一定的難度。故本文將PN結(jié)的反向恢復(fù)電流近似為按指數(shù)函數(shù)衰減。晶閘管暫態(tài)數(shù)學(xué)模型如式（1）所示，反向恢復(fù)電流在t小于等于ta時(shí)，以-di/dt的斜率線性上升到-Irr，然后在t大于ta時(shí)此電流按指數(shù)函數(shù)衰減。

對(duì)于模型中時(shí)間常數(shù)τ的推導(dǎo)過程如下。

如圖7所示，假定電流的反向恢復(fù)時(shí)間為trr，這個(gè)反向恢復(fù)時(shí)間應(yīng)該是指數(shù)衰減曲線與時(shí)間軸的交點(diǎn)A點(diǎn)，但是為了方便計(jì)算，大多數(shù)的廠商將trr定義為連接反向恢復(fù)電流峰值點(diǎn)和-0.25Irr點(diǎn)的直線與時(shí)間軸的交點(diǎn)，即圖7中的B點(diǎn)所示。反向恢復(fù)電荷Qrr（圖中的陰影部分面積）則近似為時(shí)間軸0點(diǎn)、trr和-Irr所圍成的三角形的面積，如下所示：

設(shè)反向恢復(fù)電流按指數(shù)函數(shù)衰減到0.25Irr時(shí)的時(shí)間為t1（如圖7所示），則可得下列關(guān)系式：

解得：

來進(jìn)行近似。此外，對(duì)于模型中涉及到得各個(gè)參數(shù)，均可以方便的從器件廠家提供的器件手冊(cè)中得到，所以此模型非常方便實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用。

2 軟件仿真驗(yàn)證

2.1 晶閘管暫態(tài)仿真

首先針對(duì)一個(gè)晶閘管關(guān)斷過程進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖8所示：上方圖為電流波形，下面為電壓波形，可以看出在電流瞬間減小的時(shí)候，感應(yīng)出較大的電壓加在晶閘管的兩端。

利用這個(gè)暫態(tài)模型，可以驗(yàn)證吸收電路的性能。根據(jù)仿真結(jié)果可以得知，將吸收電容增大，反向沖擊電壓將變小，而將吸收電容減小，反向沖擊電壓則將變大。

2.2 三相整流電路中晶閘管暫態(tài)模型仿真

從上面的分析我們可以看出，由于晶閘管的關(guān)斷特性，在關(guān)斷過程中會(huì)產(chǎn)生反向過電壓。為了更好地分析，有必要在實(shí)際的電路系統(tǒng)中研究晶閘管的暫態(tài)過程?；诖?，在本文中，以圖14所示的三相整流電路為例，研究在實(shí)際系統(tǒng)中工作的晶閘管的暫態(tài)過程。

三相整流電路有六個(gè)晶閘管。我們僅在關(guān)斷過程中把A相上橋臂的晶閘管用暫態(tài)模型來進(jìn)行分析。為了更好地比較，其余晶閘管都認(rèn)為是理想開關(guān)，觸發(fā)角為0。

仿真結(jié)果如圖9-10所示。流過A相上橋臂晶閘管的電流如圖9所示。在考慮了晶閘管的暫態(tài)關(guān)斷過程后，電流的暫態(tài)恢復(fù)過程很好的反映了出來。但是其它的認(rèn)為理想開關(guān)的晶閘管的關(guān)斷過程中，電流沒有反向恢復(fù)過程就直接截?cái)嗔?，與實(shí)際情況不符。

圖10為流過A相上下橋臂的電流，A相上橋臂的晶閘管電壓和整流后的電流。與上述結(jié)論類似，在考慮了晶閘管的暫態(tài)關(guān)斷過程后，電流的暫態(tài)恢復(fù)過程以及其過電壓可以很好的反應(yīng)了出來。但是其余認(rèn)為理想開關(guān)的晶閘管的關(guān)斷過程中，電流沒有反向恢復(fù)過程就直接截?cái)嗔恕?/p>

圖10 曲線1為流過A相上橋臂晶閘管的電流，曲線2為流過A相下橋臂晶閘管電流，曲線3為A相上橋臂晶閘管電壓，曲線4為A相下橋臂晶閘管電壓。仿真結(jié)果和理論推導(dǎo)對(duì)晶閘管的暫態(tài)換向回路研究有重要的指導(dǎo)意義。晶閘管的換向回路在圖11中以虛線框出。晶閘管電壓為交流線電壓與換向過程產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓之和，換向過程產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓主要由漏感決定。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果如圖12所示。圖12為A相上橋臂晶閘管的電流電壓波形，上方曲線為流經(jīng)A相上橋臂晶閘管的電流波形，下方曲線為晶閘管的電壓波形?？梢钥闯觯瑢?shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。

圖11 換向回路分析

圖12 A相上橋臂晶閘管電流電壓波形

4 結(jié)論

本文分析了晶閘管暫態(tài)恢復(fù)特性，詳細(xì)的研究了其暫態(tài)關(guān)斷過程，并從工程實(shí)用角度，建立了晶閘管暫態(tài)恢復(fù)模型，進(jìn)行了單個(gè)晶閘管暫態(tài)特性仿真，驗(yàn)證了晶閘管暫態(tài)恢復(fù)特性；最后仿真結(jié)果與理論分析相吻合較好的驗(yàn)證了本文所做工作的正確性。

[1] James Di Sarro, Elyse Rosenbaum. A scalable SCR compact model for ESD circuit simulation. IEEE CFP08RPS-CDR 46#Annual International Reliability Physics Symposium, Phoenix, 2008.

[2] Lifang Lou, Juin J.Liou. An improved compact model of silicon-controlled rectifier (SCR) for electrostatic discharge (ESD) applications. IEEE transactions on electron devices, 2008, 55(10).

[3] William D. Walker, William F. Weldon. Thermal modeling and experimentation to determine maximum power capability of SCR’s and Thyristors. IEEE transactions on power electronics, 1999, 1(14).

Research on SCR Transient Model and Its Applications in Three-phase Rectifier System

Zheng Xinliang, He Na, Gao Qiang

(Naval University of Engineering, Wuhan, 430033，China)

The voltage overshoot when SCR turns off is the main damage cause for SCR in engineering applications. So it is very important to analyze SCR transient turn-off character for system design and device application. Based on that, this paper focuses on detailed transient turn-off process of SCR and builds the SCR transient recovery mathematical model. Besides, in this paper the proposed SCR transient recovery model is well embedded into three-phase rectifier system model. Finally, the simulation results coincide well with the theoretical analysis results, which verify the correctness of the work in this paper.

silicon controlled rectifier; transient recovery character; transient recovery model

TN349

A

1003-4862（2013）05-0012-05

2012-09-17

鄭欣良（1989-）, 男，碩士。研究方向：電力電子、電力拖動(dòng)。