特高壓直流輸電換流閥用晶閘管反向恢復特性研究與分析

劉隆晨，張星海，李亞偉，張 禹，岳 珂，龐 磊

(1.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610072；2.國網四川省電力公司檢修公司，四川 成都 610042；3.西安交通大學電氣工程學院，陜西 西安 710049)

QF=αnpnτpIF

Qt6=Qt1-Qrr

特高壓直流輸電換流閥用晶閘管反向恢復特性研究與分析

劉隆晨1，張星海1，李亞偉1，張 禹2，岳 珂3，龐 磊3

(1.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610072；2.國網四川省電力公司檢修公司，四川 成都 610042；3.西安交通大學電氣工程學院，陜西 西安 710049)

為了掌握直流輸電換流閥現場檢測關鍵技術，搭建了晶閘管反向恢復特性實驗電路，實驗研究了正向電流幅值、換向電流變化率等參數對特高壓換流閥用晶閘管反向恢復特性的影響。基于工頻條件下晶閘管單元反向恢復特性研究結果，并結合特高壓直流輸電工程實際，從晶閘管器件物理特性的角度對上述影響的機制進行了分析。結果表明：反向恢復電荷隨著正向電流、換向電流變化率的增大而增多，導致反向恢復時間增長、恢復電流峰值增大，從而引起反向恢復特性的改變；當換向電流變化率較小時，正向電流對反向恢復電荷量影響不大，反之亦然；反向恢復時間在某一正向電流幅值下發生躍變，而后隨著正向電流的增大而緩慢增長。該研究可為換流閥晶閘管級單元現場檢測試驗提供可靠的理論依據。

換流閥；大功率晶閘管；反向恢復；正向電流

0 引 言

大功率晶閘管作為直流輸電系統換流閥的核心器件，其暫態特性是晶閘管應用基礎研究的核心問題。當晶閘管尺寸較小且承受電壓較低時，其內部載流子的擴散效應不明顯，在早期的應用中往往被忽略。隨著特高壓直流輸電技術的發展，晶閘管功率容量顯著提高，晶閘管結構尺寸增大。此時，器件內部載流子的擴散效應以及電導調制效應也隨之增強，反向恢復過程的影響無法忽視。

晶閘管反向恢復過程是指在晶閘管關斷過程中，由于基區過剩的載流子無法立即消失，殘留在基區的電荷需通過遷移、擴散以及復合等方式進行釋放，導致晶閘管中出現負向電流[1-2]。受外電路電感效應的影響，晶閘管兩端會出現反向尖峰電壓。

在晶閘管反向恢復過程中，由于基區存在大量非平衡載流子，其正、反向阻斷能力尚未恢復，此時換流閥遭受直流系統暫態脈沖的沖擊極易發生晶閘管損壞；另外，反向恢復過程的特征參量(反向恢復電荷、反向恢復時間等)，對晶閘管級單元阻尼回路和控制單元的參數設計具有重要意義。因此，研究正向電流參數對晶閘管反向恢復特性的影響有助于降低晶閘管發生失效的概率，也可為換流閥設計、運行和檢測提供理論基礎。

目前針對換流閥用晶閘管的暫態過程研究并不多見。文獻[3-5]對晶閘管換流閥關斷暫態過電壓及電壓分布進行了分析，部分研究內容涉及晶閘管的反向恢復特性；但該研究以換流電路中的閥組件為主要研究對象，采用電路解析或仿真的方法，將晶閘管的關斷過程用等效電路模型替代，這忽略了器件本身的反向恢復特性。藍元良等采用反向恢復電流模型，分析串聯晶閘管的反向恢復暫態過程[6]；鄒剛等使用宏模型研究晶閘管反向恢復特性[7]，但上述研究與器件真實的恢復過程不符。

搭建了晶閘管反向恢復特性實驗平臺，在近似真實工況的實驗條件下，通過反向電流電壓波形測量與分析，研究正向電流幅值、換向電流變化率等參數對大功率晶閘管反向恢復特性的影響規律。結合直流輸電系統中晶閘管的運行工況，重點關注工頻條件下的反向恢復特性，并從器件內部物理特性的角度分析正向電流參數對晶閘管反向恢復特性影響的作用機制。

1 晶閘管反向恢復物理過程分析

晶閘管是功率半導體器件，由4個交替摻雜層形成的3個PN結組成，也可將晶閘管等效為2個晶體管。晶閘管的結構中P型摻雜的陽極層位于底端，接著是N-基區，P基區，最后是N+陰極層，其中N-基區輕度摻雜，并有足夠寬度。

圖1為晶閘管反向恢復過程典型波形。圖中，虛線為電流波形，實線為電壓波形。反向電流從0增大到峰值Irm所用的時間t1～t5稱為存儲時間ts，從峰值Irm回落到0.1Irm所用的時間稱為下降時間tf，存儲時間ts和下降時間tf之和為反向恢復時間trr。一般而言，當反向電流下降至靜態漏電流時，晶閘管反向恢復過程結束。

圖1 晶閘管反向恢復過程典型波形

在感性負載條件下，晶閘管換向之前(t0時刻前)，晶閘管處于穩定開通狀態，大多數電荷存儲于基區，這些電荷由基區過剩的少數載流子組成，其中主要是空穴載流子，此時器件中存儲的電荷近似為[8]

QF=αnpnτpIF

(1)

式中：αnpn為晶閘管中等效NPN晶體管的電流增益；τp為n基區少數載流子壽命；IF為正向電流。t0時刻陽極施加反向電壓，t0～t1階段晶閘管完全導通，導通壓降可忽略。反向電壓Ur由回路電感L承擔，回路電流以恒定的電流變化率di/dt衰減，即

(2)

此時存儲電荷從QF減小到Qt1[9]，即

(3)

故電流過零點時器件中仍有大量的非平衡載流子。

t1～t2階段，電流反向，非平衡載流子從基區中移除，空穴穿過J1被抽出，電子在J3被移除，載流子被掃出導致2個發射極內非平衡載流子濃度驟減。由于P基極比N基極摻雜重，且N發射極的初始載流子濃度比P發射極低，J3的非平衡載流子濃度衰減到0所需時間比J1少得多。在t2時刻， J3的載流子被抽空，故J3開始承受電壓，此時電流變化率很小，為

(4)

式中，UT近似為J3壓降，故di/dt下降。t3時刻，UT到達J3的雪崩擊穿電壓。在t4時刻，J1的非平衡載流子濃度降為0，J1開始承受電壓，不斷上升的UT使得電流變化率進一步減少。在t5時刻UT=Ur，電流變化率di/dt為0，電流達到反向峰值電流Irm，t5時刻之后晶閘管開始恢復反向阻斷能力。

t5～t6階段，由于耗盡層無法繼續掃出載流子，故耗盡層不能進一步拓展，剩余的非平衡載流子只能靠內部復合而消失。非平衡載流子濃度下降導致能擴散至耗盡層邊緣的載流子減少，反向電流近似于按照時間常數τ呈指數函數衰減，回路電感會感應出一個電壓使得晶閘管承受反向過電壓Urm，即

(5)

此電壓往往遠大于所施加的反向電壓Ur。

在t6時刻， P基區存儲電荷已被完全清除，N基區中還剩余少量存儲電荷，剩余存儲電荷為

Qt6=Qt1-Qrr

(6)

式中，Qt6一般通過載流子復合的方式消去，故可近似認為Qrr=Qt1。需要說明：器件恢復電荷Qrr不等于存儲電荷減小的總量QRR，這是因為在恢復階段，載流子仍繼續向基區注入，故電荷減少量QRR僅為恢復電荷Qrr的一部分。當外施反向電壓很高時，恢復電荷很快被抽走，故QRR占據Qrr的絕大部分。

2 實驗平臺

采用正弦電流波形研究晶閘管的反向恢復特性，實驗電路如圖2所示[10]。圖中，R1為充電限流電阻，C為充電電容，L為放電回路電感，R2為無感電阻，DUT為特高壓換流閥用大功率晶閘管試品。采用泰克公司高壓探頭P6015A測量晶閘管兩端的電壓，流過晶閘管的電流由Pearson公司羅氏線圈測量，采用Tektronix公司DPO4054型數字示波器記錄電流電壓波形。

圖2 實驗平臺

晶閘管觸發導通后，電容C通過L和R2衰減振蕩放電，當電路滿足

(7)

R2LC回路為欠阻尼振蕩，測量反向恢復電壓、電流波形，分析計算反向恢復特征量。

實驗研究正向電流幅值Ip、換向電流變化率di/dt對晶閘管反向恢復特征量(反向恢復電壓電流、反向恢復時間、反向恢復電荷、恢復軟度)的影響。改變電容C充電電壓，研究不同正向電流幅值下晶閘管的反向恢復特性；調節電容C的電容值，改變通態脈沖寬度，即

(8)

在同一正向電流幅值下，改變換向電流變化率，研究換向電流變化率對晶閘管反向恢復過程的影響。

3 實驗結果與分析

大功率半導體器件的動態特性與其導通時間相關，并且該類器件具有電導調制效應，導通持續時間必須足夠長，才能保證載流子達到平衡。直流輸電系統中大功率晶閘管工作于工頻條件下，因此需研究工頻條件下晶閘管的反向恢復特性。調節測試回路的LC參數，保證通態脈沖寬度為10 ms，改變正向電流幅值。不同正向電流下反向恢復電流、電壓波形如圖3所示。

圖3 不同正向電流下反向恢復電流、電壓波形

反向恢復時間trr隨正向電流幅值Ip的變化曲線如圖4所示，反向恢復時間trr同正向電流幅值Ip呈正相關，當Ip等于200 A時，trr迅速增大到200 μs，之后trr緩慢增長到約300 μs。

圖4 反向恢復時間trr隨正向電流Ip的變化曲線

反向恢復電荷Qrr隨正向電流幅值Ip的變化曲線如圖5所示，Qrr隨Ip增加而近似線性增大。由圖可看出，反向恢復時間不大于300 μs，關斷足夠快，器件內部載流子復合消散不顯著；此時Qrr為存儲在晶閘管中全部電荷量，約等于QF，因此Qrr同Ip近似呈現出線性的關系，可以用式(1)描述。

圖5 反向恢復電荷Qrr隨正向電流Ip的變化曲線

反向恢復電流峰值Irm隨正向電流幅值Ip的變化曲線如圖6所示，Irm隨Ip的增大而增大。反向電流達到Irm之前，晶閘管掃出電荷量與Ip呈近似線性正比關系；此外，由圖3(a)可見存儲時間ts基本不受Ip影響，故Ip越大，掃出電荷量越多，Irm與Ip具有良好的線性度。

圖6 反向恢復電流峰值Irm隨正向電流Ip的變化曲線

反向恢復電壓峰值Urm隨正向電流幅值Ip的變化曲線如圖7所示，Ip增大，Urm也隨之增大，線性度良好。

圖7 反向恢復電壓峰值Urm隨正向電流Ip的變化曲線

圖8為比值Urm/Ur隨正向電流幅值Ip的變化曲線。Urm/Ur表征器件的急變特性，Ip越大，Urm/Ur減小，反向特性越軟，但Urm/Ur比值仍大于3。在大電流下非平衡載流子具有更多能量，復合難度加劇，載流子壽命增長，存儲電荷增加，因此晶閘管在大電流條件下恢復特性更軟。

圖8 比值Urm/Ur隨正向電流Ip的變化曲線

4 結 論

分析了大功率晶閘管的反向恢復物理過程，通過實驗的方法研究了正向電流對晶閘管反向恢復特性的影響，重點關注了工況條件下晶閘管的反向恢復特性，得到了如下結論：

1)晶閘管反向恢復特性主要取決于正向電流和換向電流變化率。提高換向電流變化率，將加快晶閘管內部載流子掃出速率，載流子發生復合的機率變小，故反向恢復電荷增多，反向恢復時間變短，反向恢復電壓峰值也隨之增大。增大正向電流，會增多晶閘管內部存儲電荷，故反向恢復時間和反向恢復電流峰值也隨之增加，進而導致了更大的反向恢復電壓峰值。

2)反向恢復時間與正向電流幅值正相關，當正向電流達到某一幅值時，反向恢復時間發生躍變，之后隨正向電流幅值的增大而緩慢增長。當換向電流變化率較高時，反向恢復電荷量與正向電流密切相關。

綜上，對于換流閥晶閘管級單元的現場測試，試驗脈沖的時間參數需要依據晶閘管正向導通電流幅值而設定。

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In order to grasp the in-situ test technology of converter valve, the test circuit for reverse recovery characteristics of high-power thyristor is built. The effects of forward current amplitude and change rate of commutating current on reverse recovery characteristics of high-power thyristors are studied experimentally. Based on the research results of reverse recovery characteristics of thyristor under power frequency condition, the mechanism of these effects is also analyzed as viewed from the physical characteristics of thyristor. The results show that the reverse recovery charge increases with the rise of peak current or commutating di/dt, which results in the increase of reverse recovery time and recovery current peak, and it would change the reverse recovery characteristics. And when the commutating di/dtbecomes lower, the forward current has little effect on the reverse recovery charge, and vice versa. With the increase of forward current, the reverse recovery time changes sharply at a certain current, and then grows slowly. The research can provide a reliable theoretical support for the in-situ test of thyristor level of the converter valve.

converter valve; high-power thyristor; reverse recovery; forward current

TM72

A

1003-6954(2017)01-0051-04

2016-09-21)

劉隆晨(1987)，博士，主要從事高壓直流輸電技術和放電等離子體應用的研究。