大功率晶閘管開通過程均壓保護(hù)研究

張 鵬，曹鵬飛，王 濤，詹鴻博

應(yīng)用研究

大功率晶閘管開通過程均壓保護(hù)研究

張 鵬1，曹鵬飛1，王 濤2，詹鴻博2

(1. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064；2. 武漢長(zhǎng)海電氣科技開發(fā)有限公司，武漢 430064)

針對(duì)脈沖工況下，大功率晶閘管開通過程中面臨的動(dòng)態(tài)電壓分布不均問題，首先從理論上分析了動(dòng)態(tài)電壓分配的函數(shù)表達(dá)式，總結(jié)了RC緩沖保護(hù)參數(shù)的選取依據(jù)。隨后，搭建晶閘管開通過程中的動(dòng)態(tài)模型，仿真得出了不同緩沖保護(hù)參數(shù)下，器件兩端的電壓波形，驗(yàn)證了理論分析的正確性。最終，提出了采用RC緩沖+MOV的保護(hù)方案，并對(duì)保護(hù)原理進(jìn)行了理論分析。

晶閘管 脈沖 開通 均壓

0 引言

大功率晶閘管擁有觸發(fā)穩(wěn)定、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、通流能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。而在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于制造參數(shù)、雜散參數(shù)、壓接工藝等因素影響，經(jīng)常導(dǎo)致串聯(lián)器件在開通過程中由于動(dòng)態(tài)電壓分配不均導(dǎo)致?lián)舸┈F(xiàn)象[1]。

本文理論分析了脈沖大電流工況下晶閘管開通過程中的動(dòng)態(tài)電壓分配關(guān)系。然后搭建了反映晶閘管開通過程中的數(shù)學(xué)模型，仿真分析了不同保護(hù)方案的動(dòng)態(tài)均壓效果，并提出了采用緩沖+MOV保護(hù)的方案實(shí)現(xiàn)開通過程中晶閘管器件的可靠保護(hù)。

1 開通過程的動(dòng)態(tài)電壓分配理論分析

晶閘管開通過程中，當(dāng)串聯(lián)晶閘管器件由于開通時(shí)間不一致時(shí)，會(huì)造成后開通的閥片承受較高的電壓。以采用sCs緩沖保護(hù)電路為例，假設(shè)其中一閥片開通最晚，如圖1所示。圖中，CC為外回路施加電壓，T1代表先開通的閥片（一個(gè)或多個(gè)同時(shí)導(dǎo)通），T2是比T1延遲了Δd后開通的閥片，為回路電感。則在T1開通之后的Δd時(shí)間內(nèi)，主回路上的電壓大部分加在T2上，在原來U2=U/n（代表串聯(lián)閥片數(shù)）的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)分量Δ。若Δ的值過大，有可能會(huì)使得T2上電壓超過耐壓或者d/d過大而損壞[2]。

圖1 串晶閘管開通時(shí)的均壓分布

當(dāng)T1開通時(shí)，流過電感的電流和C上電壓（U/n）不能突變，負(fù)載電流流入T2的ss均壓回路，

采用動(dòng)態(tài)均壓參數(shù)S和S后，不均衡電壓Δ由電阻S和電容S上的兩部分電壓組成：

將式（2）代入式（1），有

因Δd很小，則

從外部保護(hù)電路的角度考慮，增大緩沖電容s的均壓效果不明顯，影響反向恢復(fù)過程動(dòng)態(tài)均壓的主要因素是緩沖電阻s，其值越小，組件的均壓效果越好。

2 開通過程的動(dòng)態(tài)電壓分配仿真分析

晶閘管的開通可以表示為電阻按照指數(shù)函數(shù)趨勢(shì)下降的過程[3]。

其中0表示在開通電壓水平下的電阻，表示時(shí)間常數(shù)。

晶閘管開通過程動(dòng)態(tài)電壓分配測(cè)試回路如圖2所示，其中，脈沖電容=500 μF，調(diào)波電感=15 μH。同樣在3個(gè)器件串聯(lián)水平下進(jìn)行測(cè)試。晶閘管組件T由T11、T12和T13三個(gè)器件串聯(lián)壓接而成。

圖2 晶閘管組件T開通過程試驗(yàn)回路

在所示測(cè)試回路水平下，脈沖電容C預(yù)充電壓c=10 kV，若不采取任何保護(hù)方案，晶閘管開通過程中電壓變化波形如圖3所示。

圖3 無保護(hù)方案時(shí)，開通過程晶閘管各器件兩端電壓波形

開通過程，T13m=9.73 kV，T12m=4.53 kV，T11m=3.33 kV可知Δ21=1.2 V；Δ31=6.4 kV，嚴(yán)重的動(dòng)態(tài)電壓分配不均會(huì)導(dǎo)致T13過電壓擊穿。

2.1 RC緩沖參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)電壓分配影響

在圖2所示測(cè)試水平下，脈沖電容預(yù)充電壓c=10 kV，采用ss緩沖保護(hù)的方案。在相同延遲設(shè)置Δd工況下，保持緩沖電容s=2 Ω，隨著緩沖電阻s變化，開通過程中，組件T中各器件兩端的電壓變化如表1所示。

表1 隨著緩沖電容Cs變化，開通過程各晶閘管電壓變化

表中數(shù)據(jù)表明增大緩沖電容s能在一定水平上改善開通過程電壓分配不均問題，但是隨著s增大，效果越來越不明顯。

相同測(cè)試水平下，脈沖電容預(yù)充電壓c=10 kV，采用ss緩沖保護(hù)的方案。在上述相同延遲設(shè)置Δd工況下，保持緩沖電容s=1.25 μF，隨著緩沖電阻s變化，開通過程中，各器件的電壓變化如表4所示。

表2 隨著緩沖電阻Rs變化，開通過程各晶閘管電壓變化

表2中數(shù)據(jù)看出：隨著緩沖電阻s減小，開通過程中電壓分配不均問題得到顯著改善。

由于阻容回路的存在，在閥片開通瞬間，均壓電容s上電壓將通過電阻R放電，在開通閥片中引起的電流變化率d/d，如圖4所示。

圖4 晶閘管器件導(dǎo)通時(shí)，RsCs保護(hù)放電回路

該過程中電流上升率：

高d/d開通是造成晶閘管損壞的原因主是熱疲勞損壞。因此，緩沖電阻Rs也不能過小，否則會(huì)導(dǎo)致開通瞬間，晶閘管器件中電流上升率d/d過高，引起器件的熱疲勞損壞。

2.2 RC緩沖+MOV保護(hù)對(duì)動(dòng)態(tài)電壓分配影響

圖5 RC緩沖+壓敏電阻保護(hù)方案

圖5給出了緩沖+MOV保護(hù)方案，在相同測(cè)試條件下，脈沖電容預(yù)充電壓c=10 kV，采用ss緩沖保護(hù)+壓敏電阻保護(hù)的方案。在上述相同延遲設(shè)置工況下，s=1.25 μF，保持緩沖電容s=2Ω，壓敏電阻開通電壓T分別為3.4 kV、3.5 kV和3.6 kV，略高于每個(gè)器件的平均電壓，殘壓m分別為：5.4 kV、5.6 kV和5.8 kV。開通過程中，組件T中各器件兩端的電壓表3所示。

表3 隨著UTh變化，器件開通過程中電壓峰值變化情況表

對(duì)比表1、表2和表3中數(shù)據(jù)可知：若壓敏電阻的開通電壓略高于串聯(lián)器件的平均電壓，則可有效將后開通的晶閘管兩端的過電壓被抑制在壓敏電阻的殘壓水平以下。

3 結(jié)論

分析表明緩沖電阻s是影響晶閘管反向恢復(fù)過程動(dòng)態(tài)電壓分配的主要因素，減小緩沖電阻s能有效改善晶閘管反向恢復(fù)過程中電壓分配不均問題。然而，過小的緩沖電阻s將導(dǎo)致晶閘管器件開通時(shí)產(chǎn)生很高的d/d，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致器件的熱擊穿。

在ss保護(hù)方案基礎(chǔ)上，引入壓敏電阻保護(hù)后能有效改善開通過程中的電壓分配不均，同時(shí)避免高d/d開通是造成晶閘管損壞的問題，是脈沖工況下串聯(lián)應(yīng)用的晶閘管有效的保護(hù)方案。

[1] 張西應(yīng), 任亞東, 唐柳生, 盧雪. 晶閘管觸發(fā)與開通特性研究[C]//. 中國(guó)核科學(xué)技術(shù)進(jìn)展報(bào)告（第四卷）——中國(guó)核學(xué)會(huì)2015年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集第7冊(cè)（計(jì)算物理分卷、核物理分卷、粒子加速器分卷、核聚變與等離子體物理分卷、脈沖功率技術(shù)及其應(yīng)用分卷、輻射物理分卷）, 2015: 283-288.

[2] 薄魯海, 晶閘管在脈沖功率電源中的應(yīng)用研究[D]. 華中科技大學(xué), 2009

[3] 王晨, 莊勁武, 張超, 徐國(guó)順, 劉佳. 串聯(lián)晶閘管在大脈沖電流下的開通過程研究[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2014, 18(03): 14-19. DOI:10.15938/ j.emc. 2014. 03.012.

[4] 仲崇山, 楊仁剛, 李成榕.動(dòng)態(tài)均壓緩沖電路引起的晶閘管電流應(yīng)力計(jì)算方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2011, 35(03):124-128.DOI:10.13335/j.1000-3673.pst.2011.03.006.

Research on voltage equalization protection during turn-on of high-power thyristor

Zhang Peng1, Cao Pengfei1, Wang Tao2, Zhan Hongbo2

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China；2. Wuhan Changhai Electrical Technology Development Co., Ltd., Wuhan 430064, China)

TN34

A

1003-4862（2022）11-0049-03

2022-05-07

張鵬(1983-)，男，高級(jí)工程師。研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。E-mail：1195468208@qq.com