晶閘管加熱測(cè)溫梯度和高壓隔離的補(bǔ)償方法研究

趙 濤，肖秦梁，張二東

（西安電力電子技術(shù)研究所，陜西西安710061）

在21世紀(jì)初期，大功率晶閘管作為開(kāi)關(guān)型半導(dǎo)體器件被人們廣泛的應(yīng)用于電網(wǎng)配電站、電廠、整流裝置、機(jī)車等很多領(lǐng)域。眾所周知溫度條件對(duì)其各電參數(shù)影響非常重要。從使用的角度來(lái)講，溫度對(duì)晶閘管參數(shù)變化的影響是有規(guī)律的，如何在晶閘管生產(chǎn)測(cè)試環(huán)節(jié)精確模擬其實(shí)際使用時(shí)的外部溫度和自身發(fā)熱而導(dǎo)致結(jié)溫的升高并且加以控制，從而避免晶閘管的失效便顯得尤為重要[1]。

1 背景技術(shù)

目前行業(yè)內(nèi)針對(duì)于晶閘管的測(cè)試所用的測(cè)溫方案結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 測(cè)溫方案結(jié)構(gòu)圖

因?yàn)榫чl管在常規(guī)測(cè)試時(shí)需要對(duì)其施加幾千伏甚至上萬(wàn)伏的高壓，所以必須對(duì)晶閘管和外圍低壓控制電路做好高壓絕緣隔離。此方案則首先把四根加熱棒插入四根隔離石英管中，然后再將其分別置入加熱板中。加熱板為金屬件。采溫?zé)崤寂c加熱棒放置模式相同，也是將其先插入熱偶的隔離石英管中再置入加熱板的體中心靠近上表面處。被測(cè)晶閘管則置于加熱板的上表面中心處。此方案雖然可基本滿足測(cè)試條件，但必然存在以下幾個(gè)弊端：①熱偶與晶閘管的下殼體中間分別是熱偶隔離石英管和加熱板。這就導(dǎo)致熱偶的采溫存在溫度梯度的偏差和響應(yīng)速度的滯后。②雖然此方案熱偶和加熱棒分別都采用隔離石英管做隔離絕緣，但在實(shí)際應(yīng)用中，一旦石英管發(fā)生疲勞破損，測(cè)試人員幾乎不可能發(fā)現(xiàn)。這就直接導(dǎo)致測(cè)試時(shí)高電壓瞬間串到溫控單元，致使溫控單元全部損壞。③如圖1所示，在高壓測(cè)試時(shí)，加熱板整體為高壓端，這加大了不必要的高壓帶電面積，直接增加了此系統(tǒng)的不安全性。④由于加熱棒也置于加熱棒隔離石英管內(nèi)，這必然導(dǎo)致加熱傳導(dǎo)效率的損耗。

2 解決測(cè)溫梯度和高壓隔離的補(bǔ)償方案

如圖2 所示，本方案首先是將加熱棒直接插入加熱板中，用以高傳導(dǎo)加熱。其次溫度傳感器選用熱電阻采溫，也是直接置入加熱板的上部體中心處。加熱板的上部鋪設(shè)一層薄云母板用以高壓隔離，提高操作人員的安全性。云母板上再鋪設(shè)一層金屬導(dǎo)熱底板和晶閘管直接接觸。此結(jié)構(gòu)解決了上一條傳統(tǒng)方案的傳導(dǎo)效率低下的弊端，但也不可避免存在采溫梯度的偏差。對(duì)于此，本方案提出采溫傳感器選用為熱電阻，因?yàn)闊犭娮璞旧硎且环N隨著溫度變化而引起電阻值變化的線性感溫器件。校溫時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)溫計(jì)探頭插入如圖2所示校溫孔中，選取溫度范圍的中間點(diǎn)為校溫點(diǎn)，溫控表設(shè)置值即為此值。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行至溫度平衡后，由于采溫梯度偏差的存在，從標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)溫計(jì)讀出的標(biāo)稱值T2必然小于測(cè)量值T1。如圖3 所示，相對(duì)偏差為T(mén)1-T2=△T。全范圍對(duì)比趨勢(shì)見(jiàn)S2測(cè)量曲線。在此先可將S2曲線等效為線性直線y=k1x。這時(shí)方案提出在熱電阻的末端并聯(lián)一個(gè)電位器。通過(guò)調(diào)節(jié)電位器可將原來(lái)熱電阻的阻值改變，進(jìn)而改變了熱電阻的反饋溫度。細(xì)調(diào)電位器從而最終達(dá)到測(cè)量值和標(biāo)稱值的相對(duì)統(tǒng)一，使得△T趨近于0。全范圍對(duì)比趨勢(shì)見(jiàn)S1測(cè)量曲線。究其本質(zhì)，等同于在原來(lái)的線性直線y=k1x基礎(chǔ)上疊加了一個(gè)k2，即y=k1k2x，把該線性直線用S1測(cè)量曲線表示。最終將傳統(tǒng)的S2測(cè)量曲線通過(guò)調(diào)整線性倍數(shù)扭轉(zhuǎn)為S1測(cè)量曲線，解決了系統(tǒng)本身存在的采溫梯度偏差的弊端[2]。

圖2 晶閘管測(cè)試夾具結(jié)構(gòu)圖

圖3 晶閘管溫度測(cè)試曲線圖

3 系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

選用大功率晶閘管一只、測(cè)試設(shè)備一臺(tái)、測(cè)試夾具選用圖2、測(cè)試溫度完全模擬晶閘管現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)所用到的溫度。按試驗(yàn)要求對(duì)其進(jìn)行測(cè)試比對(duì)，最終將系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)束后的測(cè)試數(shù)據(jù)即測(cè)量溫度和標(biāo)稱溫度進(jìn)行整理并計(jì)算，如表1所示：

表1 晶閘管溫度測(cè)試數(shù)據(jù)℃

對(duì)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算分析可知：

（1）傳統(tǒng)方案S2測(cè)量曲線的等效直線y=k1x中的k1≈0.98，相對(duì)偏差T1-T2=△T如上表所示。

（2）本方案S1測(cè)量曲線的等效直線y=k1k2x中的k1k2≈1.01，疊加后的k1k2值基本為1，更能近似的將S1測(cè)量曲線看作y=x，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量溫度T1與標(biāo)稱溫度T2相一致的結(jié)果。

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以清楚地看到熱電阻的末端并聯(lián)一個(gè)電位器，能有效實(shí)現(xiàn)測(cè)量溫度和標(biāo)稱溫度的偏差值△T降低到最小，很大程度上保證了晶閘管測(cè)試時(shí)溫度的準(zhǔn)確性，徹底解決了晶閘管加熱測(cè)溫梯度。

4 結(jié) 論

作為晶閘管測(cè)試時(shí)重要支撐條件和基本保持手段，采溫系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和安全性顯得尤為重要。通過(guò)采用熱電阻傳感器采溫并改變其曲線斜率和加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化解決了溫度梯度的偏差及高壓隔離的隱患。并最終提高了晶閘管測(cè)試數(shù)據(jù)的精確性和出廠成品率。該系統(tǒng)方案具有良好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

在未來(lái)的應(yīng)用推廣過(guò)程中可以進(jìn)一步優(yōu)化本方案的結(jié)構(gòu)。除了在加熱底板上鋪設(shè)一層薄云母之外，還可以采用其他易導(dǎo)熱且絕緣性能良好的新材料包裹住整個(gè)加熱底板，確保測(cè)試高壓被徹底絕緣于新材料內(nèi)，大大減少了測(cè)試人員的觸電風(fēng)險(xiǎn)，增加了測(cè)試人員的安全性。