突加大脈沖電流條件下晶閘管關(guān)斷時(shí)間計(jì)算

劉佳，蔣心怡，莊勁武，王晨

（海軍工程大學(xué)，武漢 430033）

0 引言

晶閘管作為大功率開(kāi)關(guān)器件應(yīng)用于某新型艦船真空直流斷路器[1-3]，關(guān)斷需用較窄的負(fù)脈沖電流，其脈沖寬度由晶閘管的關(guān)斷時(shí)間來(lái)決定，因此晶閘管的關(guān)斷時(shí)間是其重要參數(shù)。在實(shí)際使用中，不同外部電路條件，以及晶閘管的分散性，同一型號(hào)晶閘管的關(guān)斷時(shí)間是不同的。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，晶閘管在突加大脈沖電流條件下強(qiáng)迫關(guān)斷時(shí)，重加正向電壓時(shí)刻靠近晶閘管關(guān)斷時(shí)間，晶閘管容易被擊穿。因此，能夠通過(guò)晶閘管的已知參數(shù)，較為準(zhǔn)確的計(jì)算出在實(shí)驗(yàn)條件下的關(guān)斷時(shí)間，是有必要的。

文獻(xiàn)[4]給出了晶閘管傳統(tǒng)關(guān)斷時(shí)間公式推導(dǎo)，該推導(dǎo)過(guò)程沒(méi)有考慮正向?qū)娏?，反偏電壓，重?dV/dt等外部因素對(duì)關(guān)斷時(shí)間的影響；文獻(xiàn)[5]分析了實(shí)際應(yīng)用的強(qiáng)迫換向和感性負(fù)載條件下的關(guān)斷過(guò)程，它給出了晶閘管在關(guān)斷時(shí)，電流過(guò)零時(shí)刻的存儲(chǔ)電荷與穩(wěn)定通流時(shí)存儲(chǔ)電荷的關(guān)系式，指出對(duì)與電流下降率較小的情況，電流過(guò)零時(shí)刻的存儲(chǔ)電荷與穩(wěn)定時(shí)正向通流值無(wú)關(guān)，并給出了電流過(guò)零時(shí)刻存儲(chǔ)電荷與di/dt的關(guān)系式，但沒(méi)有分析脈沖電流由零到達(dá)峰值時(shí)刻的存儲(chǔ)電荷與穩(wěn)定通流時(shí)存儲(chǔ)電荷的關(guān)系；文獻(xiàn)[6]建立了恢復(fù)過(guò)程的模型，包括了陰極發(fā)射區(qū)短路點(diǎn)的影響與再加電壓dV/dt的影響。

本文在考慮不同外部電路條件對(duì)關(guān)斷時(shí)間的影響基礎(chǔ)上，分析晶閘管在大脈沖電流條件下與穩(wěn)態(tài)通流條件下存儲(chǔ)電荷的關(guān)系，并推導(dǎo)出關(guān)斷時(shí)間的解析計(jì)算式。

1 晶閘管關(guān)斷過(guò)程分析

晶閘管的關(guān)斷過(guò)程分為三個(gè)階段，延時(shí)階段，下降階段，正向恢復(fù)階段。當(dāng)晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，所有三個(gè)PN結(jié)均為正向偏置，在器件中存在過(guò)剩的少數(shù)載流子和多數(shù)載流子，這些過(guò)剩載流子隨正向電流增加而增加。關(guān)斷時(shí)，過(guò)剩載流子必須由電場(chǎng)掃出，或經(jīng)復(fù)合消失[7]。典型的關(guān)斷電流波形如圖1所示。對(duì)圖1中的電流波形進(jìn)行準(zhǔn)確的分析是很復(fù)雜的，但是文獻(xiàn)[8]指出可以通過(guò)下面的方法預(yù)估關(guān)斷時(shí)間。該文獻(xiàn)認(rèn)為時(shí)間延遲主要由 N1層中的復(fù)合時(shí)間決定。基極電荷復(fù)合時(shí)間方程：

式中 Qn1為 N1區(qū)的通過(guò)復(fù)合消耗掉的存儲(chǔ)電荷，是時(shí)間t的函數(shù)；τp為N1區(qū)少子壽命，公式（1）解為：

根據(jù)關(guān)斷時(shí)間的定義，關(guān)斷時(shí)間的零時(shí)刻為晶閘管電流過(guò)零的時(shí)刻。經(jīng)過(guò)tq時(shí)間后重加一正向電壓，剩余的存儲(chǔ)電荷Qn1（tq）不足以引起正向觸發(fā)，則關(guān)斷過(guò)程結(jié)束。

由公式（2）可得關(guān)斷時(shí)間為：

假設(shè)[4]：

1）在晶閘管關(guān)斷前處在穩(wěn)態(tài)條件下通流為IF，器件的存儲(chǔ)電荷為QF；

2）關(guān)斷時(shí)電流由 IF下降到 0的時(shí)間 t0＜＜τp；

成都工業(yè)學(xué)院[3]主要在教學(xué)內(nèi)容上增加零部件測(cè)量、檢測(cè)、機(jī)構(gòu)調(diào)整、汽車配件質(zhì)量的鑒別與檢測(cè)、汽車再制造認(rèn)識(shí)、再生燃料及新能源汽車認(rèn)識(shí)等拓展內(nèi)容，以引導(dǎo)學(xué)生不滿足于現(xiàn)狀、努力學(xué)習(xí)，達(dá)到強(qiáng)化實(shí)踐操作技能、提升工作能力的目的。

3）由反向電流注入的電荷 Qrr＜＜Qn1（0）；

4）不考慮再加電壓dV/dt的影響。

可以得到傳統(tǒng)關(guān)斷時(shí)間公式：

本文以式（4）為基礎(chǔ)，考慮晶閘管在脈沖電流條件下關(guān)斷前的存儲(chǔ)電荷，得到其在脈沖電流條件下的關(guān)斷時(shí)間公式。

2 晶閘管關(guān)斷時(shí)間的計(jì)算

晶閘管在大脈沖電流條件下的關(guān)斷時(shí)間測(cè)試實(shí)驗(yàn)電路如圖2所示，晶閘管F為關(guān)斷時(shí)間的待測(cè)對(duì)象。

實(shí)驗(yàn)初始狀態(tài)：電容C、C1預(yù)充電，晶閘管F、F1截止?fàn)顟B(tài)；t1時(shí)刻觸發(fā)晶閘管F，C、F、L回路放電；t2時(shí)刻觸發(fā)關(guān)斷晶閘管F1，由于F支路電感遠(yuǎn)小于電感L，關(guān)斷電流幾乎全部從F上流過(guò)，F(xiàn)上電流迅速下降至零并截止，電流全部換流至關(guān)斷支路。當(dāng)F電流過(guò)零時(shí)刻起F承受反壓到關(guān)斷回路電流低與主回路電流時(shí)刻止F承受正壓這段時(shí)間Δt為預(yù)留給F關(guān)斷時(shí)間，本文稱為預(yù)關(guān)斷時(shí)間。通過(guò)調(diào)整C1充電電壓來(lái)調(diào)整Δt。

圖3為該實(shí)驗(yàn)主回路電流 i，關(guān)斷回路電流iC，晶閘管F電流iA的電流波形。

2.1 突加大脈沖電流條件下晶閘管存儲(chǔ)電荷的計(jì)算

Q’F為大脈沖電流條件下，電流達(dá)到峰值 IF時(shí)，器件的存儲(chǔ)電荷。

式（5）表明在電流下降階段，存儲(chǔ)電荷與時(shí)間為指數(shù)關(guān)系。

在同一實(shí)驗(yàn)中晶閘管在負(fù)脈沖電流注入前不是穩(wěn)定通流，而是高上升率的脈沖電流，根據(jù)式（5）存儲(chǔ)電荷與時(shí)間的指數(shù)關(guān)系，可以認(rèn)為電流在上升階段，存儲(chǔ)電荷隨與時(shí)間為相同的指數(shù)關(guān)系，由此推導(dǎo)出Q’F與QF的關(guān)系式：

QF是晶閘管處在穩(wěn)態(tài)通流IF時(shí)，器件的存儲(chǔ)電荷。

將式（6）代入式（5）得到突加大脈沖電流條件下電流過(guò)零時(shí)刻器件的存儲(chǔ)電荷公式?？焖倬чl管的 τp一般小于 3μs，而 t0與 tF一般大于50μs，因此，可以得到電流過(guò)零時(shí)刻存儲(chǔ)電荷的近似公式：

由式（7）可知，在脈沖電流條件下晶閘管存儲(chǔ)電荷同穩(wěn)態(tài)通流時(shí)晶閘管存儲(chǔ)電荷之間的關(guān)系：脈沖電流上升越慢（tF越大），晶閘管的存儲(chǔ)電荷越接近穩(wěn)態(tài)電流時(shí)的存儲(chǔ)電荷；脈沖電流下降越快（t0越?。?，晶閘管的存儲(chǔ)電荷越接近穩(wěn)態(tài)電流時(shí)的存儲(chǔ)電荷。

2.2 反向電流IR對(duì)存儲(chǔ)電荷的影響

晶閘管在大注入條件下，換相后通過(guò)晶閘管的反向電流IR對(duì)關(guān)斷時(shí)間有影響。文獻(xiàn)[4]分析了該過(guò)程和影響因素。反向電流IR在晶閘管中流過(guò)，此段時(shí)間晶閘管的存儲(chǔ)電荷減少總值為 Qrr，Qrr是不等于恢復(fù)電荷積分值（圖 4中陰影區(qū)）QRR的，因?yàn)樵诨謴?fù)階段，載流子向基區(qū)的注入仍在繼續(xù)進(jìn)行，所以 Qrr是 QRR中的一部分。反偏電壓越高時(shí)，恢復(fù)電荷越快被抽走，Qrr在QRR中的比例就越大。關(guān)斷過(guò)程開(kāi)始時(shí) N1區(qū)的存儲(chǔ)電荷Qn1（0）應(yīng)該是電流過(guò)0時(shí)刻的存儲(chǔ)電荷減去反向電流注入的電荷 Qrr，即：Qn1(0)=Qt0?Qrr。文獻(xiàn)[4]沒(méi)有給出 Qrr在 QRR中的比例與反偏電壓的關(guān)系式，無(wú)法給本文定量計(jì)算提供依據(jù)。當(dāng)反偏電壓較低時(shí)，本文近似認(rèn)為Qrr等于0。

2.3 晶閘管關(guān)斷時(shí)間的計(jì)算

突加脈沖電流是影響晶閘管關(guān)斷時(shí)間的主要外部因素，當(dāng)反偏電壓較低，忽略 Qrr對(duì)恢復(fù)電荷的影響，忽略重加 dV/dt差異的影響，關(guān)斷時(shí)間公式修改為：

τp未知，由晶閘管出廠參數(shù)和測(cè)試條件，根據(jù)式（8）通過(guò) matlab等軟件求出 τp，再將 τp和實(shí)驗(yàn)所需的脈沖電流參數(shù)代入式（8），得到實(shí)驗(yàn)條件下關(guān)斷時(shí)間計(jì)算值。

3 近似計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

實(shí)驗(yàn)采用圖2所示實(shí)驗(yàn)電路，晶閘管F分別采用兩只北京東菱公司的kk1000 A/2500 V快速晶閘管為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。該型晶閘管提供的關(guān)斷時(shí)間出廠測(cè)試條件為：溫度 125℃，正向通流為峰值為1 kA、平均di/dt為20 A/μs正弦半波，再加斷態(tài)電壓 1.25 kV。在該條件下測(cè)定的關(guān)斷時(shí)間為19 μs和20 μs。該型晶閘管維持電流在125℃時(shí)為 400 mA。將上述參數(shù)代入式（8），用 matlab計(jì)算出 τp分別為 3.939 μs和 4.112 μs。

實(shí)驗(yàn)溫度25℃，C為2 mF，C1為250 μF，L為40 μH，L1為5 μH。關(guān)斷峰值為2 kA的脈沖電流， tF為 240 μs左右，t0為 20 μs左右。根據(jù)實(shí)驗(yàn)波形所得到的參數(shù)用式（8）計(jì)算出兩只晶閘管的關(guān)斷時(shí)間分別為25.97 μs和27.28 μs（在25℃條件下，該型晶閘管維持電流為500 mA）。兩只晶閘管在不同預(yù)關(guān)斷時(shí)間的狀態(tài)如表 1所示。

表1 關(guān)斷時(shí)間測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在該實(shí)驗(yàn)條件下，兩只晶閘管的關(guān)斷時(shí)間為34 μs到35 μs之間。

4 小結(jié)

本文考慮到正向突加脈沖電流對(duì)關(guān)斷時(shí)間的影響，根據(jù)存儲(chǔ)電荷理論修改了傳統(tǒng)關(guān)斷時(shí)間公式，推導(dǎo)了晶閘管在突加大脈沖電流條件下關(guān)斷時(shí)間的解析計(jì)算式，并與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比，在此基礎(chǔ)上得到的主要結(jié)論有：

1） 如果只考慮正向脈沖電流對(duì)關(guān)斷時(shí)間的影響，可以通過(guò)廠家提供的關(guān)斷時(shí)間和測(cè)試條件用式（8）計(jì)算出不同正向脈沖電流條件下的關(guān)斷時(shí)間；

2） 根據(jù)本文的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)有一定差距，這是因?yàn)橛绊戧P(guān)斷時(shí)間的主要外部因素是正向脈沖電流，但還需考慮反偏電壓、重加 dV/dt和溫度等因素。下一步工作將研究反偏電壓與重加 dV/dt對(duì)關(guān)斷時(shí)間的影響，對(duì)其進(jìn)行定量的分析，完善本文的關(guān)斷時(shí)間計(jì)算公式。

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