大功率晶閘管反向恢復(fù)期保護(hù)邏輯的優(yōu)化設(shè)計(jì)

陶敏，梁家豪，梁秉崗，劉道民，劉宏，柴斌

（1.中國(guó)南方電網(wǎng)有限公司超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州 510000；2.中電普瑞電力工程有限公司，北京 102200）

晶閘管在導(dǎo)通時(shí)其內(nèi)部基區(qū)存在大量的過(guò)剩載流子，在關(guān)斷過(guò)程中這些載流子通過(guò)擴(kuò)散、遷移及復(fù)合等方式逐步消散，因此在關(guān)斷過(guò)程中晶閘管上會(huì)流過(guò)一個(gè)時(shí)變的反向恢復(fù)電流[1-3]。由于外回路電感的存在，變化的反向恢復(fù)電流導(dǎo)致晶閘管承受反向恢復(fù)電壓過(guò)沖。因此，在晶閘管反向恢復(fù)過(guò)程中，由于基區(qū)存在大量非平衡載流子，其正、反向阻斷能力尚未恢復(fù)，此時(shí)換流閥若受到高壓暫態(tài)脈沖的沖擊極易發(fā)生晶閘管損壞[3]。尤其是應(yīng)用在直流輸電領(lǐng)域的大功率晶閘管，若反向恢復(fù)期內(nèi)受到暫態(tài)高壓沖擊，不僅造成晶閘管的損壞，還會(huì)導(dǎo)致直流輸電系統(tǒng)換相失敗，因此晶閘管反向恢復(fù)保護(hù)顯得尤為重要[2，4-6]。

本文研究了高壓直流輸電領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的西門(mén)子換流閥晶閘管觸發(fā)監(jiān)測(cè)單元的觸發(fā)邏輯，對(duì)西門(mén)子晶閘管觸發(fā)監(jiān)測(cè)邏輯中的不足進(jìn)行了分析，并提出了一種優(yōu)化方案。通過(guò)PSPICE數(shù)字驗(yàn)證和實(shí)際測(cè)試的方法，驗(yàn)證了該優(yōu)化方案的可行性和有效性。

1 晶閘管反向恢復(fù)期及其現(xiàn)有保護(hù)邏輯介紹

晶閘管在電壓兩端負(fù)向過(guò)零點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)入反向恢復(fù)期，反向恢復(fù)過(guò)程典型電流電壓波形如圖1所示。

圖1 晶閘管反向恢復(fù)過(guò)程典型電流電壓波形Fig.1 Typical waveforms in reverse recovery process of thyristor

圖1中，虛線為電流波形，實(shí)線為電壓波形。在反向恢復(fù)過(guò)程中，反向恢復(fù)電流從零增大到峰值-Irm的時(shí)間記為存儲(chǔ)時(shí)間ts，電流峰值-Irm下降到-0.1Irm的時(shí)間記為下降時(shí)間tf，存儲(chǔ)時(shí)間和下降時(shí)間共同組成了反向恢復(fù)期時(shí)間，即反向恢復(fù)時(shí)間trr=ts+tf。反向恢復(fù)期時(shí)間與管子特性有關(guān)，不同的管子特性不一致，以溪浙特高壓直流輸電工程中的晶閘管為例，其反向恢復(fù)期約為 1 ms[1，5，7]。

西門(mén)子高壓直流輸電領(lǐng)域晶閘管電子板（TE板）監(jiān)測(cè)觸發(fā)邏輯如圖2所示，觸發(fā)邏輯為脈沖信號(hào)，每個(gè)周期由5個(gè)寬度為3 μs的脈沖信號(hào)組成，分別標(biāo)記為脈沖1～脈沖5。脈沖1、脈沖2為間隔10 μs的雙脈沖組，實(shí)現(xiàn)晶閘管的觸發(fā)；脈沖3為負(fù)壓信號(hào)，VBE監(jiān)測(cè)到控保下發(fā)的同步信號(hào)后產(chǎn)生脈沖3，TE板接收到脈沖3信號(hào)后將產(chǎn)生一個(gè)RN狀態(tài)回報(bào)信號(hào)；脈沖4為反向恢復(fù)保護(hù)信號(hào)，VBE接收到RN后產(chǎn)生脈沖信號(hào)4；脈沖5為晶閘管狀態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)，VBE產(chǎn)生脈沖信號(hào)4后延時(shí)固定時(shí)間產(chǎn)生脈沖信號(hào)5[6，8-11]。

圖2 西門(mén)子高壓直流輸電領(lǐng)域TE板監(jiān)測(cè)觸發(fā)邏輯Fig.2 Monitoring and trigger logic of TE board in Siemens HVDC field

反向恢復(fù)保護(hù)信號(hào)產(chǎn)生后，TE板進(jìn)入反向恢復(fù)保護(hù)期Ⅲ，在反向恢復(fù)期內(nèi)，晶閘管兩端電壓du/dt＞100 V/μs時(shí)，TE板觸發(fā)晶閘管，從而起到保護(hù)晶閘管的作用。

該觸發(fā)邏輯中，當(dāng)VBE產(chǎn)生脈沖3后晶閘管已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入反向恢復(fù)期，而TE板在脈沖4產(chǎn)生后才開(kāi)始進(jìn)行反向恢復(fù)期的保護(hù)，因此從脈沖3～脈沖4中間階段晶閘管處于反向恢復(fù)期，但TE板并未對(duì)晶閘管進(jìn)行反向恢復(fù)保護(hù)。該區(qū)間內(nèi)，若晶閘管上產(chǎn)生較大的du/dt變化，可能造成晶閘管的損壞[12-13]。

因此，TE板產(chǎn)生晶閘管反向恢復(fù)保護(hù)時(shí)間較實(shí)際晶閘管電壓過(guò)零點(diǎn)延時(shí)包括：1）控制保護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)到過(guò)零點(diǎn)并發(fā)送到換流閥控制系統(tǒng)時(shí)間t1；2）換流閥控制系統(tǒng)發(fā)送脈沖3到TE板時(shí)間t2；3）TE板產(chǎn)生RN信號(hào)延時(shí)t3；4）RN發(fā)送到換流閥控制系統(tǒng)延時(shí)t4；5）換流閥控制系統(tǒng)產(chǎn)生脈沖4、脈沖發(fā)送到TE板的時(shí)間t5；6）TE板接收到脈沖4后產(chǎn)生反向恢復(fù)保護(hù)的時(shí)間t6。其中，t1，t3，t6產(chǎn)生時(shí)間與硬件電路設(shè)計(jì)及程序有關(guān)；t2，t4，t5為光纖傳輸延時(shí)，根據(jù)直流輸電現(xiàn)場(chǎng)光纖長(zhǎng)度估算，從閥廳到閥控室光纖長(zhǎng)度約為400 m，光在光纖中傳輸?shù)乃俣燃s為2×108m/s，因此光纖傳輸中的延時(shí)約為6 μs?，F(xiàn)有TE板保護(hù)邏輯中若在晶閘管過(guò)零點(diǎn)后產(chǎn)生了反向沖擊電壓，TE板將無(wú)法對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。

2 反向恢復(fù)保護(hù)功能及電路實(shí)現(xiàn)

針對(duì)西門(mén)子TE板觸發(fā)邏輯中存在的上述隱患，對(duì)TE板觸發(fā)邏輯進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的觸發(fā)邏輯如圖3所示。觸發(fā)邏輯為脈沖信號(hào)，每個(gè)周期由3個(gè)寬度為3 μs的脈沖信號(hào)組成，分別標(biāo)記為脈沖1～脈沖3。脈沖1、脈沖2為間隔3 μs的雙脈沖組，實(shí)現(xiàn)晶閘管的觸發(fā)；脈沖3為負(fù)壓信號(hào)，VBE監(jiān)測(cè)到控保下發(fā)的同步信號(hào)后產(chǎn)生脈沖3，TE板接收到脈沖3信號(hào)后將產(chǎn)生一個(gè)RN狀態(tài)回報(bào)信號(hào)，同時(shí)晶閘管進(jìn)入反向恢復(fù)保護(hù)期，TE板對(duì)晶閘管進(jìn)行反向恢復(fù)保護(hù)。

圖3 優(yōu)化后的TE板監(jiān)測(cè)觸發(fā)邏輯Fig.3 Optimized monitoring and trigger logic of TE board

優(yōu)化后晶閘管電壓反向過(guò)零點(diǎn)的監(jiān)測(cè)和反向恢復(fù)保護(hù)區(qū)間設(shè)定功能均由TE板自主實(shí)現(xiàn)。TE板在晶閘管電壓負(fù)向過(guò)零點(diǎn)（晶閘管進(jìn)入反向恢復(fù)期后）即開(kāi)始對(duì)晶閘管進(jìn)行保護(hù)，提高了TE板對(duì)晶閘管保護(hù)的可靠性。

優(yōu)化后的反向恢復(fù)保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)方法如圖4所示，電路分別由RS觸發(fā)器、比較電路和延時(shí)電路組成，其中，晶閘管正負(fù)壓監(jiān)測(cè)信號(hào)為UUth，高壓暫態(tài)脈沖監(jiān)測(cè)信號(hào)為URRP+，延時(shí)電路采用觸發(fā)器定時(shí)電路產(chǎn)生，其延時(shí)時(shí)間可以通過(guò)調(diào)節(jié)定時(shí)回路中的電阻值來(lái)調(diào)節(jié)。

圖4 反向恢復(fù)保護(hù)電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of reverse recovery protection circuit

根據(jù)溪浙特高壓直流輸電工程晶閘管特性，設(shè)置板卡內(nèi)延時(shí)電路延時(shí)時(shí)間為1 ms，即在晶閘管電壓反向過(guò)零點(diǎn)產(chǎn)生后1 ms內(nèi)，晶閘管反向恢復(fù)保護(hù)水平設(shè)定為1.2 kV。晶閘管兩端電壓大于設(shè)定的反向恢復(fù)保護(hù)電壓后，反向恢復(fù)電路保護(hù)信號(hào)URRPtrigger將產(chǎn)生一個(gè)高電平信號(hào)，并發(fā)送到TE板門(mén)極觸發(fā)電路，門(mén)極觸發(fā)電路將觸發(fā)晶閘管，對(duì)晶閘管產(chǎn)生保護(hù)作用。

3 電路仿真及試驗(yàn)

電路采用PSPice軟件進(jìn)行仿真，仿真過(guò)程中晶閘管觸發(fā)角設(shè)置為36°，在晶閘管電壓反向過(guò)零點(diǎn)后1 ms時(shí)，晶閘管兩端施加2 kV的沖擊電壓，沖擊電壓上升沿和下降沿均設(shè)置為20 μs。仿真結(jié)果如圖5所示，其中，Usignal為晶閘管觸發(fā)信號(hào)。仿真結(jié)果顯示，在晶閘管電壓反向過(guò)零點(diǎn)產(chǎn)生后，晶閘管電壓監(jiān)測(cè)信號(hào)UUth和晶閘管電壓同步變化，幾乎無(wú)任何延時(shí)產(chǎn)生。仿真顯示該設(shè)計(jì)方法不僅能實(shí)現(xiàn)晶閘管的反向恢復(fù)保護(hù)功能，且能無(wú)延時(shí)進(jìn)行保護(hù)。

圖5 晶閘管反向恢復(fù)保護(hù)電路仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of thyristor reverse recovery protection circuit

TE板反向恢復(fù)保護(hù)設(shè)計(jì)如下：晶閘管由導(dǎo)通狀態(tài)至晶閘管反向電壓為-20 V，TE板啟動(dòng)反向恢復(fù)保護(hù)，反向恢復(fù)期內(nèi)，晶閘管正向電壓超過(guò)保護(hù)水平，TE板保護(hù)觸發(fā)晶閘管，反向恢復(fù)保護(hù)水平為1 700 V，TE板晶閘管反向恢復(fù)期保護(hù)水平可調(diào)。

為了驗(yàn)證該方法的可靠性，設(shè)計(jì)試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試電路電氣接線圖如圖6所示。

圖6 反向恢復(fù)特性測(cè)試電路電氣接線圖Fig.6 Electrical wiring diagram of reverse recovery characteristic test circuit

試驗(yàn)線路參數(shù)如下：TE板測(cè)試工裝為單相AC 220 V輸入，輸出0～10 000 V；動(dòng)態(tài)均壓電容Ct為1.5 μF/4 kV；動(dòng)態(tài)均壓電阻Rt為40 Ω/300 W；晶閘管T為5 000 A/8 500 V；TE板滿足輸入電壓DC 60 V，BOD保護(hù)水平7 000 V，反向恢復(fù)保護(hù)水平1 700 V。

測(cè)試結(jié)果如圖7所示，采樣間隔100 ns，反向恢復(fù)保護(hù)電壓值約1.74 kV，反向恢復(fù)保護(hù)無(wú)延時(shí)。

圖7 反向恢復(fù)保護(hù)電壓測(cè)試波形Fig.7 Reverse recovery protection voltage test waveforms

4 結(jié)論

本文通過(guò)分析現(xiàn)有西門(mén)子晶閘管觸發(fā)監(jiān)測(cè)邏輯，發(fā)現(xiàn)了晶閘管反向恢復(fù)保護(hù)功能存在的不足，提出了一種新的晶閘管觸發(fā)監(jiān)測(cè)邏輯，并對(duì)該邏輯方法的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了理論分析、數(shù)字仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，該方法不僅能實(shí)現(xiàn)晶閘管的反向恢復(fù)保護(hù)功能，而且能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)延時(shí)的反向恢復(fù)保護(hù)，對(duì)高壓直流輸電大功率晶閘管保護(hù)具有重要意義。