晶閘管加熱測溫梯度和高壓隔離的補償方法研究

趙 濤，肖秦梁，張二東

（西安電力電子技術(shù)研究所，陜西西安710061）

在21世紀初期，大功率晶閘管作為開關(guān)型半導(dǎo)體器件被人們廣泛的應(yīng)用于電網(wǎng)配電站、電廠、整流裝置、機車等很多領(lǐng)域。眾所周知溫度條件對其各電參數(shù)影響非常重要。從使用的角度來講，溫度對晶閘管參數(shù)變化的影響是有規(guī)律的，如何在晶閘管生產(chǎn)測試環(huán)節(jié)精確模擬其實際使用時的外部溫度和自身發(fā)熱而導(dǎo)致結(jié)溫的升高并且加以控制，從而避免晶閘管的失效便顯得尤為重要[1]。

1 背景技術(shù)

目前行業(yè)內(nèi)針對于晶閘管的測試所用的測溫方案結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 測溫方案結(jié)構(gòu)圖

因為晶閘管在常規(guī)測試時需要對其施加幾千伏甚至上萬伏的高壓，所以必須對晶閘管和外圍低壓控制電路做好高壓絕緣隔離。此方案則首先把四根加熱棒插入四根隔離石英管中，然后再將其分別置入加熱板中。加熱板為金屬件。采溫熱偶與加熱棒放置模式相同，也是將其先插入熱偶的隔離石英管中再置入加熱板的體中心靠近上表面處。被測晶閘管則置于加熱板的上表面中心處。此方案雖然可基本滿足測試條件，但必然存在以下幾個弊端：①熱偶與晶閘管的下殼體中間分別是熱偶隔離石英管和加熱板。這就導(dǎo)致熱偶的采溫存在溫度梯度的偏差和響應(yīng)速度的滯后。②雖然此方案熱偶和加熱棒分別都采用隔離石英管做隔離絕緣，但在實際應(yīng)用中，一旦石英管發(fā)生疲勞破損，測試人員幾乎不可能發(fā)現(xiàn)。這就直接導(dǎo)致測試時高電壓瞬間串到溫控單元，致使溫控單元全部損壞。③如圖1所示，在高壓測試時，加熱板整體為高壓端，這加大了不必要的高壓帶電面積，直接增加了此系統(tǒng)的不安全性。④由于加熱棒也置于加熱棒隔離石英管內(nèi)，這必然導(dǎo)致加熱傳導(dǎo)效率的損耗。

2 解決測溫梯度和高壓隔離的補償方案

如圖2 所示，本方案首先是將加熱棒直接插入加熱板中，用以高傳導(dǎo)加熱。其次溫度傳感器選用熱電阻采溫，也是直接置入加熱板的上部體中心處。加熱板的上部鋪設(shè)一層薄云母板用以高壓隔離，提高操作人員的安全性。云母板上再鋪設(shè)一層金屬導(dǎo)熱底板和晶閘管直接接觸。此結(jié)構(gòu)解決了上一條傳統(tǒng)方案的傳導(dǎo)效率低下的弊端，但也不可避免存在采溫梯度的偏差。對于此，本方案提出采溫傳感器選用為熱電阻，因為熱電阻本身是一種隨著溫度變化而引起電阻值變化的線性感溫器件。校溫時，標準點溫計探頭插入如圖2所示校溫孔中，選取溫度范圍的中間點為校溫點，溫控表設(shè)置值即為此值。當系統(tǒng)運行至溫度平衡后，由于采溫梯度偏差的存在，從標準點溫計讀出的標稱值T2必然小于測量值T1。如圖3 所示，相對偏差為T1-T2=△T。全范圍對比趨勢見S2測量曲線。在此先可將S2曲線等效為線性直線y=k1x。這時方案提出在熱電阻的末端并聯(lián)一個電位器。通過調(diào)節(jié)電位器可將原來熱電阻的阻值改變，進而改變了熱電阻的反饋溫度。細調(diào)電位器從而最終達到測量值和標稱值的相對統(tǒng)一，使得△T趨近于0。全范圍對比趨勢見S1測量曲線。究其本質(zhì)，等同于在原來的線性直線y=k1x基礎(chǔ)上疊加了一個k2，即y=k1k2x，把該線性直線用S1測量曲線表示。最終將傳統(tǒng)的S2測量曲線通過調(diào)整線性倍數(shù)扭轉(zhuǎn)為S1測量曲線，解決了系統(tǒng)本身存在的采溫梯度偏差的弊端[2]。

圖2 晶閘管測試夾具結(jié)構(gòu)圖

圖3 晶閘管溫度測試曲線圖

3 系統(tǒng)試驗結(jié)果

選用大功率晶閘管一只、測試設(shè)備一臺、測試夾具選用圖2、測試溫度完全模擬晶閘管現(xiàn)場工作時所用到的溫度。按試驗要求對其進行測試比對，最終將系統(tǒng)試驗結(jié)束后的測試數(shù)據(jù)即測量溫度和標稱溫度進行整理并計算，如表1所示：

表1 晶閘管溫度測試數(shù)據(jù)℃

對表1數(shù)據(jù)進行分析計算分析可知：

（1）傳統(tǒng)方案S2測量曲線的等效直線y=k1x中的k1≈0.98，相對偏差T1-T2=△T如上表所示。

（2）本方案S1測量曲線的等效直線y=k1k2x中的k1k2≈1.01，疊加后的k1k2值基本為1，更能近似的將S1測量曲線看作y=x，實現(xiàn)了測量溫度T1與標稱溫度T2相一致的結(jié)果。

通過試驗數(shù)據(jù)，可以清楚地看到熱電阻的末端并聯(lián)一個電位器，能有效實現(xiàn)測量溫度和標稱溫度的偏差值△T降低到最小，很大程度上保證了晶閘管測試時溫度的準確性，徹底解決了晶閘管加熱測溫梯度。

4 結(jié) 論

作為晶閘管測試時重要支撐條件和基本保持手段，采溫系統(tǒng)的準確性和安全性顯得尤為重要。通過采用熱電阻傳感器采溫并改變其曲線斜率和加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化解決了溫度梯度的偏差及高壓隔離的隱患。并最終提高了晶閘管測試數(shù)據(jù)的精確性和出廠成品率。該系統(tǒng)方案具有良好的應(yīng)用推廣價值。

在未來的應(yīng)用推廣過程中可以進一步優(yōu)化本方案的結(jié)構(gòu)。除了在加熱底板上鋪設(shè)一層薄云母之外，還可以采用其他易導(dǎo)熱且絕緣性能良好的新材料包裹住整個加熱底板，確保測試高壓被徹底絕緣于新材料內(nèi)，大大減少了測試人員的觸電風險，增加了測試人員的安全性。