大功率脈沖整流系統半導體元件結溫計算與仿真

甯佐清，周書堂

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大功率脈沖整流系統半導體元件結溫計算與仿真

甯佐清1，周書堂2

（1.武漢船用電力推進裝置研究所，武漢430064；2.中國人民解放軍駐3303廠軍代室，武漢430200）

大功率脈沖式整流系統在特種電氣應用行業越來越廣泛，單脈沖的功率非常大，合理利用整流元件的浪涌通流特性是整流系統穩定可靠的關鍵。本文以某超大功率脈沖整流設備應用為背景，提出了一種利用整流元件的浪涌通流特性來計算元件溫升的設計方法，并通過仿真驗證了方法的正確性。該文對其他脈沖式整流系統半導體器件選型計算有一定的指導作用。

脈沖式 整流系統 浪涌電流 結溫

0 引言

隨著工業技術的發展，超大功率脈沖式直流電源的應用越來越廣泛，如高低開關電器短路試驗、脈沖強磁場等領域，單脈沖的功率達到300 MW甚至更高，對于脈沖整流系統整流元件的穩定性和可靠性提出了更高的要求，如何準確計算和分析元件在脈沖式工況下的溫升，是系統穩定可靠運行的大前提。本文以某超大功率脈沖式整流系統工程應用項目為背景，對整流元件在脈沖式工作下的溫升進行分析，該應用經驗對于提高設備的性能甚至整流器的實際應用水平都有一定的現實意義。

1 系統工作特點及元件特性介紹

超大功率脈沖整流系統一般指直流側輸出電流/電壓為脈沖形式，單個脈沖的電流達到幾十千安或者幾百千安，電壓為幾千伏特的整流系統；系統主電路多采用六脈波橋式整流形式，根據系統對直流電壓/電流的需求，通過多個六脈波整流橋的串/并聯實現超大功率輸出。某超大功率脈沖式整流系統（文中定義為脈沖式硅整流系統）中，要求額定單脈沖為140 kA，1000 V，0.6 s；極限短路工況能承受350 kA，1S系統不損壞；為了滿足系統的需求，整流部分單橋臂采用8只KPD-5100 A/6500 V元件并聯設計，并采用同相逆并聯二極管整流結構。多元件并聯的原理圖如圖1所示。

該脈沖式硅整流系統的額定工況為工作DC140 kA，1000 V，運行0.6 s，停歇7 s，直流輸出仿真波形如圖2和圖3所示；故障狀態下要經受短路電流為350 kA，1s而系統不損壞。

脈沖式硅整流系統選用的是普通大功率電力二極管，電流密度大，元件結溫高，工藝相對簡單，穩定性好。在該整流系統中，由于二極管正向導通電流為脈沖式，且脈沖峰值很大，若元件通流設計按其工作在正向平均電流狀態進行，就會使整流系統非常龐大而且失去工程應用意義，所以脈沖式硅整流系統中的元件通流設計必須利用元件的浪涌通流特性進行選擇。

該脈沖式硅整流系統選擇的元件型號為ZPD-5100A/6500V，其浪涌通流特性如圖4所示。

2 元件通流量及結溫計算

2.1 脈沖式通流量計算

該脈沖式硅整流系統的兩種工況，根據計算和工程化經驗如果系統能滿足350 kA，1s不重復的直流短路電流的通流量要求，則肯定能滿足140 kA，0.6 s周期脈沖工作下的通流量需求，所以只需要計算直流側短路電流350 kA，1S的工況下系統元件溫升在安全范圍內即可。

在直流側短路電流350kA，1S工況下，根據整流橋通流特性計算出單只元件的通態電流有效值為：

其中：I為直流電流，350 kA；n為并聯元件個數，8只；K為并聯元件均流系數，取0.85 。為橋臂電流計算系數其計算公式如下：

其中：為導通周期，20 ms；為脈沖導通時間，6.667 ms。

所以單只元件的浪涌峰值為14.85 kA/0.707=21 kA，從圖4中可以看到二極管工作1s（50個周波@50 Hz）時能夠承受的浪涌電流峰值為35.4 kA，大于元件的實際通態浪涌電流。

單只二極管通態損耗P的計算公式如下：

式中：V為半導體器件門檻電壓；I為半導體器件實際工作平均電流，約8.6 kA；I為半導體器件實際工作有效電流；r為半導體器件斜率電阻；為波形系數；相關數據可以查詢元件手冊。

2.2 二極管結溫計算

在超大功率脈沖整流系統中，每只元件是工作在通態浪涌狀態下，元件結溫計算不能按照常規的結溫計算方法進行，應該根據元件的浪涌下的瞬態熱阻參數計算，計算公式如下：

其中Z為元件瞬態熱阻，取3.1℃/kW；P為二極管元件通態損耗。

在脈沖式整流系統中，二極管元件的熱量無法在脈沖周期內有效散失，結溫計算也是假設二極管所有熱量均不散失的情況下進行等效計算。所以在最大環境溫度為40℃的情況下，二極管元件最大結溫為129.1℃，小于元件的最大內部等效結溫150℃。

3 元件結溫仿真

根據以上的相關計算，采用ANSYS軟件對二極管元件進行建模；仿真中的邊界條件主要分兩類，芯片的發熱功率和溫度的設置。對于發熱功率的設置是根據實際工況，將器件的功率以生熱率的形式加載到芯片中；對于溫度及材料屬性設置是將器件初始溫度全部設置為40℃，自然冷卻。

根據仿真結果可以看到，在直流側短路電流350 kA工況下，1 s內二極管元件的最大結溫在131℃左右，小于元件最大結溫150℃，與計算結果基本相符。

4 結論

在超大功率脈沖整流系統中，元件選型及結溫計算必須按照元件的通態浪涌特性進行設計，在該脈沖式硅整流系統中，通過計算與仿真驗證了該計算方法和設計思路的正確性。合理利用半導體器件的浪涌通流特性，使超大功率脈沖系統的工程化應用更合理，對大容量試驗、脈沖強磁場等領域產品的設計提供一定的參考作用。

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Calculation and Simulation of Junction Temperature of Semiconductor in High Power Pulse Rectifier System

Ning Zuoqing1, Zhou Shutang2

(1.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China；2. PLA’s Military Representatives Office in 3303 Factory, Wuhan 430200 ,China)

High power pulse rectifier system is more widely used in special electrical industry. Because the single pulse of power is very high, the rational use of rectifying elements’ surge current characteristic is the key of the rectification system stability and reliability. Taking a high power pulse rectifier device applications as the background, this paper presents a design method that uses rectifying element surge flowing characteristic to calculate element temperature ,and verifies by simulation method. Also, the paper puts forward some guidance for semiconductor device selection and calculation in other pulse rectifier system.

pulsed; rectifier system; surge current; junction temperature

TM461

A

1003-4862（2017）01-0049-03

2016-06-15

甯佐清（1975-）男，本科。研究方向：開關電器試驗系統設計。Email:ningzuoqing712@163.com