脈沖電壓作用下晶閘管反向恢復(fù)期二次導(dǎo)通特性*

陳炫宇， 岳 珂， 陶風(fēng)波， 龐 磊， 張喬根

(1. 西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 西安 710049； 2. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 電力科學(xué)研究院， 南京 211103)

晶閘管憑借耐壓等級(jí)高、通流能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)在高壓直流輸電、無功補(bǔ)償?shù)却笕萘侩娏﹄娮釉O(shè)備中得到廣泛應(yīng)用[1].高壓大功率晶閘管一般采用大注入方式，在其關(guān)斷過程中，基區(qū)存在大量的過剩載流子.通過遷移、擴(kuò)散以及復(fù)合等方式消散時(shí)，在晶閘管上流過反向恢復(fù)電流，并形成明顯的反向恢復(fù)過程.如在此過程中出現(xiàn)電網(wǎng)擾動(dòng)、雷電沖擊及串聯(lián)晶閘管的不同步關(guān)斷等情況，均可能造成晶閘管兩端遭受電壓脈沖沖擊，引起誤導(dǎo)通、器件損傷甚至擊穿.因此，研究脈沖電壓下晶閘管反向恢復(fù)期二次導(dǎo)通特性，對(duì)于確定器件保護(hù)策略，并進(jìn)一步保證設(shè)備可靠運(yùn)行具有重要意義.

由于晶閘管在反向恢復(fù)期出現(xiàn)誤導(dǎo)通時(shí)，容易引起器件失效，工程人員在器件應(yīng)用過程中也對(duì)其二次導(dǎo)通特性進(jìn)行關(guān)注.文獻(xiàn)[8]對(duì)晶閘管進(jìn)行反向恢復(fù)期脈沖電壓耐受試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)二次導(dǎo)通可能引起極高的導(dǎo)通電流并發(fā)生擊穿，對(duì)晶閘管是十分嚴(yán)峻的考驗(yàn)，需要加強(qiáng)恢復(fù)期的保護(hù).以高壓直流輸電換流閥為例，反向恢復(fù)期保護(hù)(RP)是晶閘管級(jí)控制單元(TCU)針對(duì)晶閘管反向恢復(fù)期電壓脈沖而采用的保護(hù)性觸發(fā)，但目前的保護(hù)策略仍存在保護(hù)誤動(dòng)作、保護(hù)時(shí)間不合理或保護(hù)無效的缺陷[9].也有文獻(xiàn)對(duì)反向恢復(fù)期內(nèi)TCU保護(hù)的試驗(yàn)方法進(jìn)行研究，能夠?qū)CU的保護(hù)功能進(jìn)行有效的測(cè)試[10-11]，但只是對(duì)邏輯保護(hù)電路功能的檢定，并未涉及晶閘管器件自身物理特性，且現(xiàn)有的保護(hù)策略設(shè)計(jì)仍缺乏一定依據(jù).因此，需要針對(duì)高壓大功率晶閘管反向恢復(fù)過程中遭受脈沖電壓時(shí)的二次導(dǎo)通特性及變化規(guī)律進(jìn)行更深入、全面的研究.

本文搭建電壓脈沖作用下晶閘管反向恢復(fù)特性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并對(duì)二次導(dǎo)通過程進(jìn)行理論分析，研究正向通態(tài)電流脈沖電壓參數(shù)及脈沖施加時(shí)刻對(duì)反向恢復(fù)期內(nèi)二次導(dǎo)通特性的影響.對(duì)于深入認(rèn)識(shí)高壓晶閘管動(dòng)態(tài)特性及指導(dǎo)晶閘管反向恢復(fù)期內(nèi)保護(hù)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值.

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文主要關(guān)注晶閘管反向恢復(fù)階段在脈沖電壓作用下動(dòng)態(tài)特性，因此，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)涉及正向?qū)胺聪蚧謴?fù)期脈沖電壓兩部分的疊加.由于大功率晶閘管電流擴(kuò)散效應(yīng)較為明顯，為使晶閘管完全開通，需要較大的測(cè)試電流與較長(zhǎng)的導(dǎo)通時(shí)間.本文選取正弦半波法產(chǎn)生正向?qū)娏?，圖1為反向恢復(fù)特性實(shí)驗(yàn)電路圖，其中左半部分電路對(duì)應(yīng)工頻電源模塊.高壓直流電源DC1用于工頻電源模塊主電容C1充電，L與電容C1形成振蕩回路，用于產(chǎn)生正向?qū)ǖ墓ゎl半波電流，R1為充電電阻，D為續(xù)流二極管，VT為晶閘管開關(guān)，DUT為晶閘管試品，S為分流器.脈沖電壓產(chǎn)生電路如圖1中沖擊電源模塊所示，主要由R2C2充電回路、R3C3放電回路與全控開關(guān)IGBT組成，通過改變R3與C3的大小調(diào)節(jié)疊加電壓脈沖.由C4與R4組成高通濾波電路，用于工頻電源模塊和沖擊電源模塊之間的隔離.IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過單片機(jī)進(jìn)行延時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)反向恢復(fù)過程中電壓脈沖施加時(shí)刻的調(diào)節(jié).

圖1 脈沖電壓作用下反向恢復(fù)特性實(shí)驗(yàn)電路Fig.1 Experimental circuit for reverse recovery characteristics under pulse voltage

實(shí)驗(yàn)采用泰克高壓探頭P6015A測(cè)量電壓，分壓比為1 000∶1，帶寬75 MHz，最高測(cè)量脈沖幅值40 kV.采用同軸結(jié)構(gòu)分流器，阻值為0.05 Ω，由多個(gè)無感電阻并聯(lián)且放置于金屬屏蔽盒中.經(jīng)測(cè)量，分流器方波響應(yīng)時(shí)間為25 ns，高頻截止頻率可估算為10 MHz，滿足實(shí)驗(yàn)要求.采用泰克DPO4104型數(shù)字示波器記錄測(cè)得的電壓電流波形，其模擬帶寬為1 GHz，可滿足實(shí)驗(yàn)要求.實(shí)驗(yàn)采用的試品為西安派瑞公司生產(chǎn)的5.6 kV/1 kA壓接式高壓大功率晶閘管.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可產(chǎn)生最大工頻電流幅值Ip為1 000 A，可產(chǎn)生最大脈沖電壓幅值為1 200 V.

2 反向恢復(fù)期內(nèi)二次導(dǎo)通過程

為更好地理解反向恢復(fù)期內(nèi)晶閘管的動(dòng)態(tài)特性，本文首先對(duì)二次導(dǎo)通過程進(jìn)行分析.采用上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使用5.6 kV/1 kA大功率晶閘管試品，設(shè)定通態(tài)電流幅值Ip=300 A，脈沖電壓作用下反向恢復(fù)階段波形如圖2所示，紅色為晶閘管陰陽極電壓波形，黑色為電流波形，電壓脈沖施加于t=120 μs，此時(shí)晶閘管電壓與電流迅速升高，脈沖電壓導(dǎo)致晶閘管流過容性位移電流Idis.在正向脈沖電壓的作用下，晶閘管電流繼續(xù)升高，此后，電壓跌落接近于零，電流發(fā)生振蕩，說明脈沖電壓作用下晶閘管在反向恢復(fù)期內(nèi)再次開通.

圖2 脈沖電壓作用下反向恢復(fù)階段波形Fig.2 Waveforms during reverse recovery period under effect of pulse voltage

由于引起導(dǎo)通的電壓脈沖頻率較高，晶閘管內(nèi)部結(jié)電容無法忽略，因此，采用晶閘管高頻等效小信號(hào)模型對(duì)由位移電流Idis引起的二次導(dǎo)通過程進(jìn)行分析.晶閘管可等效為PNP與NPN兩個(gè)晶體管，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，其中，CT1、CT2和CT3均為等效電容.

圖3 晶閘管等效晶體管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of transistor structure equivalent to thyristor

當(dāng)晶閘管處于正向阻斷模式時(shí)，如晶閘管陽極外施正向電壓脈沖，則與CT2相比，CT1和CT3較大.由于CT1、CT2和CT3是串聯(lián)關(guān)系，可忽略CT1和CT3的影響.在晶閘管陽極電壓迅速上升的過程中，器件流過的容性位移電流為

(1)

式(1)最右邊一項(xiàng)通常被忽略，于是得

(2)

容性位移電流Idis與外部施加的門極觸發(fā)電流IG具有同樣的效果，這種由電壓上升率引起的觸發(fā)導(dǎo)通是一種非理想的導(dǎo)通方式.

當(dāng)晶閘管陽極承受正向電壓時(shí)，晶閘管陽極電流由收集的電子電流ICN、空穴電流ICP和位移電流Idis組成，表示為

IA=ICP+ICN+Idis=αPIA+αNIK+Idis

(3)

式中：αP、αN分別為晶閘管等效PNP、NPN晶體管的直流共基極電流放大系數(shù)；IA、IK為陽極電流和陰極電流，在沒有外施門極觸發(fā)電流的情況下，則

IA=IK

(4)

將式(4)代入式(3)可得

(5)

由于在低電流等級(jí)時(shí)，電流增益更為敏感，因此，等效晶體管小信號(hào)電流放大系數(shù)α1與α2通常大于直流放大系數(shù)，即

(6)

(7)

由式(5)～(7)可得

(8)

在陽極電壓UAK恒定的情況下，晶閘管導(dǎo)通必須滿足dIA/dIdis→∞.由于α1和α2與器件電流密度正相關(guān)，當(dāng)晶閘管遭受脈沖電壓沖擊時(shí)，若晶閘管內(nèi)部PN結(jié)的電容效應(yīng)引起的位移電流Idis具有足夠幅值，使器件內(nèi)的電流密度增大，則α1和α2也隨之增大.當(dāng)α1+α2趨近于1時(shí)，晶閘管將會(huì)因脈沖電壓過大而觸發(fā)導(dǎo)通.而在晶閘管反向恢復(fù)過程中，由于晶閘管基區(qū)內(nèi)仍有大量非平衡載流子，當(dāng)承受電壓脈沖時(shí)，外施電場(chǎng)因移除基區(qū)內(nèi)載流子而產(chǎn)生的電流與Idis方向相同，將大幅增加晶閘管反向恢復(fù)期內(nèi)二次導(dǎo)通的發(fā)生概率.

3 反向恢復(fù)期內(nèi)二次導(dǎo)通特性

本文通過改變脈沖電壓幅值和脈沖施加時(shí)刻，來研究晶閘管反向恢復(fù)期內(nèi)二次導(dǎo)通特性.實(shí)驗(yàn)過程中固定電壓脈沖波前時(shí)間為3.8 μs，器件采用與上文相同的5.6 kV/1 kA大功率晶閘管.

3.1 脈沖電壓幅值對(duì)二次導(dǎo)通的影響

設(shè)定通態(tài)電流幅值Ip為300 A，脈沖延時(shí)Δt分別為90、100、110、120和130 μs.調(diào)節(jié)脈沖電壓幅值，晶閘管反向恢復(fù)期內(nèi)二次導(dǎo)通電流幅值與脈沖電壓幅值關(guān)系如圖4所示.由圖4可以看出，二次導(dǎo)通電流幅值隨著脈沖電壓幅值增大而呈指數(shù)型增加.可以預(yù)見，反向恢復(fù)期內(nèi)較低的電壓脈沖幅值就足以產(chǎn)生可能引起晶閘管熱損壞的導(dǎo)通電流.

圖4 二次導(dǎo)通電流隨脈沖電壓幅值變化曲線Fig.4 Changing curves of secondary conduction current with different amplitudes of pulse voltage

隨著晶閘管反向恢復(fù)過程的進(jìn)行，晶閘管阻斷能力不斷恢復(fù)，引起同樣大小的導(dǎo)通電流需要更高的脈沖電壓.因此，隨著脈沖時(shí)延增加曲線的右移，同樣電壓引起的導(dǎo)通電流迅速降低.當(dāng)Δt超過120 μs之后，晶閘管并未完全導(dǎo)通，故對(duì)應(yīng)的dI/dU較小，曲線更為平緩.

3.2 脈沖施加時(shí)刻對(duì)二次導(dǎo)通的影響

由于反向恢復(fù)過程中晶閘管的阻斷能力不斷恢復(fù)，引起二次導(dǎo)通的條件也隨之改變.為探究其規(guī)律，實(shí)驗(yàn)研究不同時(shí)刻引起晶閘管二次導(dǎo)通的脈沖電壓幅值情況，如圖5所示，變化趨勢(shì)呈現(xiàn)S型增長(zhǎng).

圖5 不同時(shí)刻引起二次導(dǎo)通的脈沖電壓幅值Fig.5 Pulse voltage amplitudes causing secondary conduction at different moments

基于半導(dǎo)體物理載流子運(yùn)動(dòng)機(jī)理，從反向恢復(fù)存儲(chǔ)電荷的角度出發(fā)，討論反向恢復(fù)期內(nèi)晶閘管二次導(dǎo)通情況下，誤觸發(fā)脈沖電壓幅值U與反向恢復(fù)過程中脈沖電壓施加延時(shí)Δt之間的關(guān)系.

反向恢復(fù)電流由其峰值Irm開始，可近似地認(rèn)為按指數(shù)規(guī)律衰減，時(shí)間常數(shù)為τr.從反向電流峰值Irm時(shí)刻t2起，反向恢復(fù)電流Ir在時(shí)刻t的值可表示為

(9)

電流連續(xù)性方程為

(10)

式中：τ為N基區(qū)少子空穴的壽命；K0為晶閘管中等效NPN晶體管的電流增益；I(t)為時(shí)刻t流過晶閘管的瞬時(shí)電流.在此過程中存儲(chǔ)電荷Qr(t)也按指數(shù)規(guī)律衰減[10]，可表示為

(11)

式中，Qm為反向恢復(fù)電流最大時(shí)晶閘管中的剩余存儲(chǔ)電荷，其與Ip有關(guān).

假設(shè)在反向恢復(fù)期內(nèi)，外施脈沖電壓造成晶閘管再次導(dǎo)通.tr為開通暫態(tài)上升時(shí)間，IF為反向恢復(fù)期內(nèi)二次導(dǎo)通的臨界導(dǎo)通電流，并假設(shè)IF是恒定值.晶閘管二次導(dǎo)通電流主要由QT與QF產(chǎn)生，其中，QT為外施脈沖電壓對(duì)晶閘管陽極注入的電荷，QF為反向恢復(fù)的剩余電荷.

考慮晶閘管二次導(dǎo)通階段的存儲(chǔ)電荷Qsc(t)，首先，假定晶閘管初始導(dǎo)通時(shí)刻為零時(shí)刻，隨著時(shí)間的變化，晶閘管二次導(dǎo)通電流Isc(t)近似地滿足指數(shù)規(guī)律[12]，即其可近似地表示為

Isc(t)=IF(1-e-t/τ*)

(12)

式中，τ*為導(dǎo)通過程近似處理的等效時(shí)間常數(shù).將式(12)代入連續(xù)性方程式(10)，可得在導(dǎo)通瞬態(tài)過程中存儲(chǔ)電荷Q(t)的表達(dá)式，其同樣滿足指數(shù)衰減規(guī)律，即

Q(t)=Q0(1-e-t/τ*)

(13)

式中，Q0為器件導(dǎo)通電流穩(wěn)態(tài)時(shí)基區(qū)過剩載流子電荷.

晶閘管反向恢復(fù)期內(nèi)二次導(dǎo)通后，隨著時(shí)間t的變化，晶閘管二次導(dǎo)通階段剩余的存儲(chǔ)電荷為

Qsc(t)=QT+Qr(t+t2+Δt)-Q(t)

(14)

式中，QT與脈沖電壓幅值成正比，即QT=C2U.

聯(lián)立式(10)、(12)和(14)可得晶閘管二次導(dǎo)通階段的存儲(chǔ)電荷表達(dá)式為

IFτF(t)]V

(15)

式中，F(xiàn)(t)=τ-et/ττ+τ*et/τ-τ*et/τ/et/τ*.

當(dāng)t=tr時(shí)，Qsc(tr)近似等于電流達(dá)到IF時(shí)的基區(qū)存儲(chǔ)電荷，于是用tr替換式(15)中的t，可得QT與Δt的關(guān)系式為

(16)

晶閘管開通時(shí)間較短，因此可認(rèn)為其是恒定值，且臨界導(dǎo)通電流IF也是恒定值，則式(16)中等號(hào)右邊前兩項(xiàng)之差是一個(gè)常數(shù)，這表明，二次導(dǎo)通前提下外施脈沖電壓對(duì)晶閘管陽極注入的電荷Q將隨著脈沖延時(shí)Δt的增大近似地呈指數(shù)增大.待晶閘管恢復(fù)電壓阻斷能力后，外施脈沖電壓與Δt不再相關(guān).

圖5中，當(dāng)100 μs≤Δt≤140 μs時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)論與理論分析結(jié)果基本相符.不同之處在于，為使數(shù)學(xué)表達(dá)式更加簡(jiǎn)潔，通常采用式(12)的指數(shù)模型來表征反向恢復(fù)電流的衰減過程，然而在反向恢復(fù)電流峰值Irm附近，指數(shù)模型無法準(zhǔn)確地體現(xiàn)電流緩變的情況，造成反向恢復(fù)電流峰值階段式(16)中所描述的增長(zhǎng)趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異.

由于實(shí)驗(yàn)采用的脈沖波前時(shí)間均約為3.8 μs，而本實(shí)驗(yàn)中反向恢復(fù)期內(nèi)引起二次導(dǎo)通的電壓變化率在100～200 V/μs左右，遠(yuǎn)低于試品斷態(tài)電壓臨界上升率1 000 V/μs.可見，反向恢復(fù)過程中晶閘管對(duì)電壓變化率較敏感.

4 結(jié) 論

本文通過實(shí)驗(yàn)研究脈沖作用下晶閘管反向恢復(fù)器內(nèi)二次導(dǎo)通特性，并從理論上分析反向恢復(fù)期內(nèi)二次導(dǎo)通過程，結(jié)果表明：

1) 高壓大功率晶閘管在反向恢復(fù)期內(nèi)，極易因脈沖電壓觸發(fā)而產(chǎn)生二次導(dǎo)通.該脈沖電壓上升率遠(yuǎn)小于器件斷態(tài)電壓臨界上升率，甚至僅為后者的10%～20%.

2) 晶閘管反向恢復(fù)期內(nèi)，晶閘管二次導(dǎo)通電流幅值隨脈沖電壓的增大呈指數(shù)型增長(zhǎng)；隨施加脈沖延時(shí)的增大，能夠引起晶閘管二次導(dǎo)通的脈沖電壓幅值呈S型增長(zhǎng).待晶閘管電壓阻斷能力恢復(fù)后，脈沖電壓幅值與脈沖施加時(shí)刻不再相關(guān).

對(duì)于晶閘管反向恢復(fù)期的保護(hù)，應(yīng)設(shè)置更低的保護(hù)閾值，另外，可針對(duì)反向恢復(fù)期內(nèi)不同時(shí)刻，調(diào)整不同的保護(hù)策略，優(yōu)化保護(hù)設(shè)計(jì).