脈沖功率晶閘管溫度變化檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

廉龍飛 王旭梅 馬成群

摘 要：脈沖功率晶閘管在反復(fù)的電源放電瞬間內(nèi)部管芯的溫度會(huì)升高，為了得到功率晶閘管內(nèi)部芯片溫度的變化本文基于Matlab電力電子仿真平臺(tái)，建立了利用FGB測試內(nèi)部管芯溫度的模型。

關(guān)鍵詞：脈沖；晶閘管；FBG；溫度測量；解調(diào)；模型

當(dāng)前隨著電磁武器的發(fā)展，脈沖功率源成為世界研究的重點(diǎn)，晶閘管作為脈沖晶閘管的開關(guān)經(jīng)受著多次充放電，晶閘管在高壓和浪涌流的沖擊下晶閘管的結(jié)溫迅速升高，局部熱量聚集，長此以往將造成晶格的損毀，所以晶閘管結(jié)溫的高低將影響著晶閘管穩(wěn)定性。

FBG（光纖布喇格光柵）具有質(zhì)量輕、尺寸小、耐高溫、高壓和抗強(qiáng)磁場的特性，能夠復(fù)用和搭建網(wǎng)路。正是其具有這樣的優(yōu)點(diǎn)我們利用FBG嵌入到大功率器件晶閘管中對晶閘管內(nèi)部管芯進(jìn)行溫度監(jiān)測。本文的研究路徑為利用有限元分析法進(jìn)行數(shù)值仿真，進(jìn)而對晶閘管內(nèi)部管芯在脈沖功率源放電瞬間產(chǎn)生的溫度進(jìn)行分析。

一、設(shè)計(jì)方案

我們設(shè)計(jì)的系統(tǒng)包含有寬帶光源、耦合器、FBG、解調(diào)儀、隔離器等，我們用ASE寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過隔離后輸入到2x2的耦合器中并輸出的光通過連接器耦合到FBG種，F(xiàn)BG粘在被測試晶閘管上，F(xiàn)BG所感受的溫度和被測試的晶閘管產(chǎn)生的溫度保持一致。然后利用非平衡M-Z干涉儀由2X2耦合器與3x3耦合器構(gòu)成，并將FBG的中心波長的偏移量轉(zhuǎn)變?yōu)轫憫?yīng)的變化量，利用光電轉(zhuǎn)換將光信號轉(zhuǎn)換為電壓信號后，經(jīng)過調(diào)理電路后進(jìn)行濾波放大上傳到上位機(jī)，上位機(jī)采用虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)對采集到的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。（設(shè)計(jì)方案見圖1）。

二、解調(diào)原理

假如耦合器輸出光強(qiáng)相等，帶傳感信息的光信號經(jīng)過非平衡M-Z干涉儀完成后產(chǎn)生120?的相位差。3X3耦合器的輸出光強(qiáng)度為：[In=Id+Iacosφ+2nπ3，n=1，2，3]（公式一），[Id]是光強(qiáng)的直流分量，[Ia]是光強(qiáng)的交流分量。對公式一簡化可以得到的干涉場相位是[φ]=arctan（[3（I1I3）2I2-I1-I3]）（公式二），此公式中的[I1I2I3]是三個(gè)輸出端口輸出的光強(qiáng)，利用LabBIEW2010，將公式二編寫相位解調(diào)程序獲取變化量，在非平衡M-Z干涉儀中耦合器兩臂間的位差為：[φλB=2πnlλB]（公式三），n為光纖纖芯的折射率，I為光程差，[λB]是FBG的中心波長，我們可以將依據(jù)FBG傳感原理把公式三改寫為?[φλB=2πnlλBKT·T]（公式四），此公式中[KT]為FBG溫度傳感系數(shù)，系數(shù)為常數(shù)，所以解調(diào)出相位與應(yīng)變程線性關(guān)系，溫度傳感系統(tǒng)通過標(biāo)定獲得為11.637pm/℃。

三、基于Matlab仿真平臺(tái)的有限元數(shù)值仿真

1.晶閘管模型。以Matlab中的Simulink為軟件仿真平臺(tái)，根據(jù)單元器件說明可知，Simulink元件庫中精細(xì)晶閘管模型具有晶閘管的基本功能。為了建立模型和減少后期數(shù)值求解的資源，我們將晶閘管簡化成圓柱體，假設(shè)室溫為20℃，加載對流換熱系數(shù)和求解時(shí)間為t，t∈[0，-5]，仿真波形峰值為14.3kA，脈寬為500[μs]。因此我們可以用[Vt=A+B·It+C·lnIt+DIt]（公式五）來表示通態(tài)壓降與通態(tài)電流之間的關(guān)系。我們首先根據(jù)Y100KPM晶閘管的型號參數(shù)繪制出通態(tài)壓降與通態(tài)電流曲線，利用Matlab解出，A、B、C、D值，代入公式五獲得了[Vt=-7.2145+0.0013·It+1.7664·lnIt-0.1045It]。我們把仿真電流波形的峰值代入，獲得了通態(tài)壓降V（t）為1.3512V，我們按照[PT=V（t）·It]可以求出瞬態(tài)功率[P（t）=1.637×104W]。

2.仿真結(jié)果。我們發(fā)現(xiàn)晶閘管放電過程中最高溫為150℃，當(dāng)脈寬為100[μs]—10[μs]時(shí)，晶閘管的瞬時(shí)溫度可以允許升高到500℃，因此在所承受范圍內(nèi)不會(huì)對晶閘管造成影響。又因?yàn)槠骷墓β蕮p耗集中在芯片的PN結(jié)上，因此溫度主要集中在芯片附近，當(dāng)浪涌結(jié)束以后，溫度又向鉬層和銅基座散熱。我們將實(shí)測的電流數(shù)據(jù)按照上面的計(jì)算方式得到散點(diǎn)熱生成率，經(jīng)過計(jì)算機(jī)計(jì)算得到了晶閘管的溫升（如圖2）。

3.誤差的考量。我們從圖2中看出晶閘管溫升曲線最高為89.325/℃，縱然這個(gè)數(shù)據(jù)是仿真后的結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果肯定有出入，我們分析其結(jié)果的誤差可能來自于以下三個(gè)方面：首先時(shí)我們的模型把晶閘管模擬成了圓柱體，與現(xiàn)實(shí)的形狀有不同，而且對芯片、鉬片、銅基座之間的焊料層和封裝外殼都進(jìn)行了簡化，這些導(dǎo)熱也時(shí)影響到仿真數(shù)據(jù)誤差。其次真實(shí)的實(shí)驗(yàn)也會(huì)受到室內(nèi)環(huán)境的影響，我們仿真時(shí)設(shè)計(jì)的室溫為20℃，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也會(huì)和室溫有區(qū)別。再次解調(diào)電路也會(huì)受到噪音的干擾，這與我們在計(jì)算機(jī)仿真時(shí)沒有設(shè)計(jì)噪聲，因此結(jié)果也是有差別的。

參考文獻(xiàn)

[1]王永平，楊建明，趙文強(qiáng)，李海英.換相失敗對晶閘管結(jié)溫影響及保護(hù)定值整定研究[J].電力工程技術(shù)，2017（04）.

[2]江南，陳民鈾，徐盛友，賴偉，高兵.計(jì)及裂紋損傷的IGBT模塊熱疲勞失效分析[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2017（04）.

[3]趙輝，劉凱.采用調(diào)整交流進(jìn)線改善并聯(lián)運(yùn)行勵(lì)磁功率柜均流系數(shù)的實(shí)例分析及應(yīng)用[J].水電廠自動(dòng)化，2016（03）.

[4]龔巖，田銘興.變壓器式可控電抗器的晶閘管閥組選型[J].高壓電器，2015（08）.

[5]高迎慧，付榮耀，劉坤，孫鷂鴻，嚴(yán)萍.基于間歇充電工況的高功率密度電源暫態(tài)熱設(shè)計(jì)[J].高電壓技術(shù)，2014（04）.

[6]吳巖松，羅皓澤，李武華，何湘寧，鄧焰.用于IGBT模塊結(jié)溫預(yù)測的熱——電耦合模型研究[J].電工電能新技術(shù)，2014（03）.