混合斷路器中串聯功率二極管反向恢復暫態過程研究

魯 洪，彭振東

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

0 引言

混合式斷路器是近年來國內外研究的一項熱門課題，從最初基于兩級換流思想構成的零電壓開關、零電流開關，發展到現在基于三級換流思想構成的零電壓零電流混合式斷路器，其基本原理都是先將電流從機械開關轉移至由半導體開關組成的換流回路，然后依靠半導體開關完成電流的分斷[1,2]。從而兼具機械開關良好的靜態特性和半導體器件無弧、快速分斷的動態特性，在一定程度上彌補了傳統機械斷路器的不足，是未來電力系統保護設備的發展方向。

圖1 P-I-N功率二極管

除了零電流開關之外，其余混合式斷路器均要依靠機械開關開斷時產生的電弧電壓迫使電流向換流回路轉移，由于電弧電壓較小，從電路理論可知，要想實現電流的迅速轉移，必須盡量減小半導體器件的通態壓降[3,4]。從已有的文獻來看，基本上都是基于 4層（PNPN）結構的晶閘管、GTO、IGCT或IGBT來實現的[1-4]，與P-I-N功率二極管（圖 1（a））相比，這類器件的通態壓降比較大，因此筆者正在從事基于功率二極管的三級換流混合式斷路器課題研究。為了提高裝置的電壓等級，混合式斷路器中采用了串聯二極管組件，但是在試驗研究過程中，經常出現二極管失效的情況，究其原因，是因為串聯二極管的均壓措施未曾處理得當所致。盡管關于半導體器件的串聯均壓技術研究已經有過許多報道，但是鮮有直接涉及到二極管的，基本都按晶閘管的串聯分析方法進行處理[5]。在混合式斷路器這種特殊的應用場合，二極管的暫態峰值電流和關斷電流下降率極大，由此引起的二極管反向恢復過程更加嚴重，對吸收保護電路提出了更高的要求。因此有必要對串聯二極管的反向恢復暫態過程進行詳細的分析，研究其差異性對串聯電壓分布的影響，為二極管組件的優化設計提供理論依據。

1 二極管的反向恢復模型

二極管的微觀電荷運動理論表明，由于正向導通期間的大電流注入效應，使N-區積累了大量的少數載流子，在二極管關斷過程中，這些過剩的載流子無法立即消失，需要通過遷移、擴散、復合等方式逐漸降低濃度[6]。受外電路電感的影響，二極管無法在電流過零時關斷，而是隨著反向電流對過剩載流子的逐步清除才能逐漸恢復阻斷狀態。在這個過程中，反向電流會首先上升到一個峰值 IRM，然后迅速減小到反向飽和值，如圖1（b）所示。

目前二極管模型主要有：功能模型、物理模型和集總電荷模型。功能模型只考慮器件的外部特性，不考慮器件內部復雜的物理過程，仿真速度快，但是精度不夠；物理模型雖然精度很高，然而需要的參數太多，并且計算速度很慢；集總電荷模型將物理模型進行了適當的簡化，參數提取容易，且精度較高，工程應用價值較大。

集總電荷的概念是將電荷存儲區分為幾個部分，過量的存儲電荷被集中置于每個存儲部分中間的一個節點中。根據載流子的微觀運動理論，可得完整的二極管模型如下[7]：

其中，qM為 N-區存儲電荷，qE為結邊界存儲電荷，TM為運輸時間，τ為載流子壽命，i為二極管電流，Is為二極管反向飽和電流，v為二極管結電壓，VT=KT/q為溫度電壓當量，k為玻爾茲曼常數，T為PN結絕對溫度。

由此在 MatlabSimulink中實現的集總電荷模型如圖2所示，模型以可控電流源為核心部件，通過電壓傳感器采集電流源兩端的實時電壓并傳給控制子系統，控制子系統接收模型參數和實時電壓值，按照式（1）、（2）、（3）進行計算，得到二極管的實時電流值，將該電流值作為可控電流源的控制輸入信號[8]。

2 串聯二極管的反向恢復過程

混合斷路器中的串聯二極管組件實際工作電路及等效電路如圖 3所示，其中 R1=R2=R3和C1=C2=C3分別為二極管D1、D2的吸收電阻和吸收電容，L為電路等效電感， C為預先充電電容，S為合閘開關，ir1(t)和ir2(t)分別為D1、D2反向恢復過程中的等效電流源，i(t)為回路電流，U為反向恢復時刻電容C上的電壓瞬時值。為了簡化分析，假定反向恢復電荷Qrr1＜Qrr1，反向峰值電流時刻t1＜t2，D1、D2反向恢復電流各自按指數規律變化，即

圖4 串聯二極管的電流示意波形

那么在 t1時刻之前，二極管 D1、D2電流均以相同的電流變化率 di/dt=U/L反向增加，兩二極管均維持在低通狀態；在 t1時刻， D1到達反向恢復電流峰值 IRM1；此后在 t1～t3期間，D1開始恢復反向阻斷能力，電流ir1(t)開始反向減小，但由于D2仍然處于低通狀態，因此反向電流ir2(t)- ir1(t)將會向C1充電，D1兩端電壓u1(t)開始反向增加，在此瞬態過程中電容電壓基本為恒定值U，則D2電流將以變化率

到達峰值IRM3[9]；在t3時刻之后，二極管D1、D2均處于反向阻斷能力恢復階段，吸收回路中R1、C1、R2、C2將同時作用，抑制二極管兩端的電壓變化率，吸收電感L中的瞬時能量。此過程各電流的示意波形如圖4所示。

若取如圖3（b）所示的參考方向，那么（1）t＜t1時

兩只二極管均未開始恢復阻斷特性，維持在低通狀態。

（2）t1≤t＜t2時

（3）t≥t2時

因此先根據式（6）、（7）求得電流 i(t)后，再由式（8）即可求得恢復阻斷時二極管兩端電壓u1(t)和u2(t)，然后由式（9）計算電壓差Δu(t)。當二極管 D1、D2完全恢復阻斷能力后，反向電流近似為零，則電阻上電壓為零，電壓u1(t)和u2(t)中只有電容電壓分量。由此可得串聯兩只二極管完全阻斷時的電壓差為

3 仿真計算驗證

利用課題研究中的試驗參數對上述串聯二極管的反向恢復暫態過程及其相關理論分析進行了驗證，利用Simulink中建立的集總電荷模型對串聯二極管的反向恢復暫態過程進行了仿真。計算和仿真參數如表1所示，計算和仿真結果如表2和圖5所示，其中Δt為兩只二極管進入反向恢復阻斷過程的時間差，UP1和 UP2分別為反向恢復過程中兩二極管的反向電壓峰值。

從計算和仿真結果可以看出，由于計算時采動態物理變化過程，并將兩只二極管假設為兩個單獨的等效電流源，沒有考慮串聯工作時兩只二極管之間的相互影響，因此與基于能較為準確反映二極管內部載流子運動過程的集總電荷模型仿真結果相比，計算結果存在些許誤差，但是誤差均能控制在3%以內。

圖5 串聯二極管仿真電壓電流波形

4 結論

在串聯二極管的關斷過程中，二極管反向恢復電荷的差異性是導致在反向恢復暫態過程以及恢復阻斷后出現電壓不均的根本原因，穩態阻斷后的電壓差近似等于恢復電荷差值ΔQrr與吸收電容Cs的比值，而峰值電壓差一般較穩態電壓差略小。

因此為了減小串聯二極管關斷時的電壓差，用了較為簡單的指數恢復模型，忽略了二極管的應盡量挑選恢復電荷 Qrr一致的器件進行串聯，并適當增加吸收電容Cs的容值。

另外，數值計算結果與基于MatlabSimulink實現的二極管集總電荷模型仿真結果保持一致，驗證了文中反向恢復暫態分析方法的合理性和有效性。

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