脈沖大電流工況下晶閘管反向恢復(fù)過(guò)程建模研究

沙新樂(lè)，張桂林，李 蕊，彭定康

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

0 引言

脈沖功率技術(shù)起源于20世紀(jì)30年代，并于60年代之后得到飛速發(fā)展。目前該技術(shù)廣泛應(yīng)用于脈沖功率電源、核物理工程、X射線以及直流斷路器等高新技術(shù)領(lǐng)域。晶閘管由于體積小，控制方便，通流大，壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)而作為開關(guān)元件，在脈沖功率系統(tǒng)中占有特殊的地位。近年來(lái)，隨著耐受高di/dt的快速晶閘管、脈沖晶閘管的不斷發(fā)展，已呈現(xiàn)出全面取代真空觸發(fā)開關(guān)、火花開關(guān)等傳統(tǒng)開關(guān)的趨勢(shì)。

正向?qū)ㄟ^(guò)程中，大量載流子存儲(chǔ)在晶閘管的基區(qū)，導(dǎo)致當(dāng)電流過(guò)零后，器件并不能立刻關(guān)斷。需要經(jīng)過(guò)反向恢復(fù)過(guò)程，將存儲(chǔ)的載流子以反向電流的形式掃出，才能恢復(fù)反向阻斷能力。該過(guò)程中，回路電壓及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的疊加，往往會(huì)在晶閘管兩端形成很高的過(guò)電壓尖峰，是導(dǎo)致器件損壞的主要原因。建立晶閘管反向恢復(fù)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型對(duì)于指導(dǎo)器件保護(hù)電路設(shè)計(jì)具有重要意義。文獻(xiàn)[1]指出正向電流峰值增大是導(dǎo)致反向恢復(fù)電流峰值增大的主要原因。文獻(xiàn)[2]指出晶閘管反向恢復(fù)過(guò)程各物理量均可擬合為關(guān)于關(guān)斷電流變化率的函數(shù)。文獻(xiàn)[4]通過(guò)仿真分析指出，結(jié)溫、正向電流峰值IF和關(guān)斷di/dt均會(huì)影響晶閘管的儲(chǔ)存電荷從而影響反向恢復(fù)過(guò)程。這些研究很多是針對(duì)工作于穩(wěn)態(tài)電流工況下的晶閘管器件，且研究過(guò)程未將各種影響因素分開考慮。

本文設(shè)計(jì)試驗(yàn)回路，對(duì)關(guān)斷di/dt相同，正向電流峰值IF不同和正向電流峰值IF相同，關(guān)斷di/dt不同這兩種情況下晶閘管中的電流以及器件兩端電壓波形進(jìn)行測(cè)量和分析，提出了一種能準(zhǔn)確反映晶閘管反向恢復(fù)過(guò)程的雙曲正割分段函數(shù)模型，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性。

1 晶閘管反向恢復(fù)過(guò)程的試驗(yàn)探究

影響晶閘管反向恢復(fù)過(guò)程的因素主要包括：正向電流峰值、關(guān)斷電流變化率、結(jié)溫等。工作于脈沖工況下的晶閘管器件，工作頻率很低，可以忽略結(jié)溫的影響，只考慮正向電流峰值和關(guān)斷電流變化率的影響。

為分別探究正向電流峰值IF和關(guān)斷電流變化率 di/dt對(duì)晶閘管反向恢復(fù)過(guò)程中電流變化的影響，搭建試驗(yàn)電路如圖1所示。試驗(yàn)過(guò)程中，調(diào)節(jié)電容C0的充電電壓，可以產(chǎn)生不同的正向脈沖電流峰值IF；調(diào)節(jié)電容C1的充電電壓，可以調(diào)節(jié)晶閘管T1的關(guān)斷電流變化率di/dt。

圖1 試驗(yàn)回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

關(guān)斷電流變化率di/dt相同，正向IF電流峰值不同和正向電流峰值IF相同，關(guān)斷電流變化率di/dt不同兩種情況下，晶閘管反向恢復(fù)過(guò)程中的電流變化情況分別如圖2和圖3所示。

圖2 IF不同的晶閘管反向恢復(fù)過(guò)程電流波形

圖3 關(guān)斷di/dt不同的晶閘管反向恢復(fù)電流波形

由圖2看出，在關(guān)斷電流變化率di/dt相同，正向電流峰值IF不同的工況下，晶閘管反向恢復(fù)過(guò)程中的電流曲線基本重合。圖3表明，在正向電流峰值保持一定情況下，隨著關(guān)斷電流變化率di/dt增大，反向恢復(fù)電流峰值呈逐漸增大趨勢(shì)。因此，當(dāng)正向?qū)娏鞣逯礗F達(dá)到一定值后，載流子的存儲(chǔ)趨于飽和，對(duì)反向恢復(fù)過(guò)程中電流變化無(wú)明顯影響，關(guān)斷電流變化率di/dt才是影響晶閘管反向恢復(fù)過(guò)程各參數(shù)變化的主要因素。

2 基于雙曲正割函數(shù)的晶閘管模型

由圖2以及圖3中電流變化波形可以看出。反向恢復(fù)過(guò)程中，電流先近似以關(guān)斷電流變化率di/dt反向上升到反向恢復(fù)電流峰值IRM；然后電流開始下降，電流變化率呈現(xiàn)出先從零開始逐漸增大，達(dá)到最大值后逐漸減小，最終在電流下降到反向漏電流的時(shí)候，再次降為零的趨勢(shì)?？梢圆捎梅侄魏瘮?shù)描述晶閘管中電流變化情況，函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式見(jiàn)式(1)。

2.1 模型參數(shù)提取

保持正向電流峰值相同，不同關(guān)斷電流變化率di/dt對(duì)應(yīng)的電流反向上升時(shí)間ts，下降時(shí)間tf，反向恢復(fù)電荷Qrr等參數(shù)如表1所示。

表1 IF相同，關(guān)斷di/dt不同的反向恢復(fù)參數(shù)變化情況

據(jù)此擬合電流反向上升時(shí)間ts關(guān)于關(guān)斷電流變化率di/dt的函數(shù)見(jiàn)式（2）。

在反向恢復(fù)電流下降階段，工程中，通常以反向恢復(fù)電流峰值IRM與1/4IRM連線與X軸的交點(diǎn)表示反向恢復(fù)過(guò)程結(jié)束的時(shí)刻?？傻茫?/p>

晶閘管反向恢復(fù)過(guò)程中電流的變化情況可以近似等效為三角形，則得：

將（6）帶入（4）求得：

其中，擬合Qrr關(guān)于關(guān)斷電流變化率的函數(shù)表達(dá)式見(jiàn)式(8)。

2.2 模型仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

在 PSCAD軟件中搭建晶閘管反向恢復(fù)過(guò)程中的分段函數(shù)模型。利用圖4所示LC脈沖測(cè)試回路，在改變晶閘管并聯(lián)保護(hù)參數(shù)Cs、U、Rs四種工況下，通過(guò)仿真和試驗(yàn)對(duì)比，測(cè)試模型的精度，其中電容C=500 μF，電感L=17 μH。

圖4 LC脈沖測(cè)試回路

反向恢復(fù)過(guò)程晶閘管中電流以及器件兩端電壓分別如圖5（a）（b）（c）（d）所示。

圖5 不同工況下的仿真與試驗(yàn)波形

通過(guò)圖5中電流以及電壓波形以及表4中電流與電壓峰值可以看出，在4種不同測(cè)試工況下，仿真波形和試驗(yàn)波形基本吻合，表明該模型能夠有效模擬出晶閘管反向恢復(fù)過(guò)程中電流和電壓的變化趨勢(shì)。

表4 不同工況下，IRM和URM的試驗(yàn)值與仿真值

3 結(jié)論

本文通過(guò)搭建試驗(yàn)回路分別探究了脈沖大電流工況下正向電流峰值IF和關(guān)斷電流變化率di/dt對(duì)晶閘管反向恢復(fù)過(guò)程中電流變化情況的影響，得出結(jié)論如下：

1）脈沖大電流工況下，正向?qū)ㄟ^(guò)程中載流子的存儲(chǔ)已經(jīng)區(qū)于飽和，反向恢復(fù)過(guò)程與正向電流峰值IF基本無(wú)關(guān)；

2）關(guān)斷電流變化率di/dt是影響脈沖大電流工況下晶閘管反向恢復(fù)過(guò)程電流變化的主要因素，反向恢復(fù)電流峰值IRM，反向恢復(fù)電荷Qrr，隨著關(guān)斷電流變化率di/dt增加而呈線性增大。

在此基礎(chǔ)上提出雙曲正割分段函數(shù)模型能有效模擬出晶閘管反向恢復(fù)過(guò)程中電流和電壓的變化趨勢(shì)，參數(shù)提取簡(jiǎn)單，實(shí)用性廣，對(duì)于晶閘管保護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。