晶閘管并聯靜動態均流原理的教學

張 波,張雪霽,王學梅,丘東元

(華南理工大學電力學院,廣東廣州 510640）

晶閘管并聯靜動態均流原理的教學

張 波,張雪霽,王學梅,丘東元

(華南理工大學電力學院,廣東廣州 510640）

晶閘管的并聯均流是“電力電子技術”課程的一個內容,大多數教科書對該部分的介紹都以定性分析為主,使學生難以建立完整的概念。本文根據目前電力電子技術的發展,從影響晶閘管并聯均流的因素,如通態壓降、開關時間、器件溫度和母線配置等,到實現均流的技術和方法,系統闡述了晶閘管并聯的靜動態均流特性,從而彌補了現有教科書中的不足。

晶閘管;并聯;均流

0 引言

晶閘管并聯工作是提高電容量、增加設備運行可靠性的有效途徑。電流分配均衡與否直接影響到設備的可靠運行。在各類電力電子技術教材中,對晶閘管的靜動態均流往往定性分析較多,學生難以建立完整的概念。

為了指導學生在實際的并聯應用中實現理想均流效果,本文從靜動態均流的角度分析了影響晶閘管并聯均流的因素。當功率半導體器件并聯時,在各并聯支路之間,會產生電流分配不均的靜態均流問題。其原因是由于正向峰值電壓差異,支路之間存在互感,交直流母線位置而產生的支路阻抗差別。而且,因器件開通時間的差異還會引起電流不均的動態均流問題[1]。本文為此給出改善均流的技術和方法。

在對均流問題的討論中,并聯元件之間的電流平衡程度用均流系數K表示,它是并聯支路電流的平均值與各支流中最大電流的比值,表示如下:

式中,I i為各并聯元件中的電流值;n為并聯支路系數;Imax為Ii中電流最大值。

顯然,裝置的均流系數越大表示均流效果越好。但該參數與多種因素有關,例如器件本身的特性,結溫的影響以及裝置結構的排布。國際標準認為,K≥0.85已達到均流要求。

1 通態壓降對均流的影響

穩態條件下,單個晶閘管輸出特性之間的差異直接影響電流分配均衡。兩個輸出特性不一致的晶閘管T1和T2,并聯運行時的輸出特性曲線如圖1所示[2]。

圖1 晶閘管輸出特性比較

圖中U 01、U 02分別是 Tl和 T2在電流為零時陽極和陰極之間的電壓,△U 1和△U 2分別表示兩個晶閘管在電流為I A1和I A2時的電壓變化量。

并聯器件的導通特性很大程度受器件特性影響,如通態電阻r和閥值電壓u0。當晶閘管在通態時,可以用通態電阻r和閥值電壓u0串聯模型代替該器件,如圖2所示。

圖2 晶閘管導通等效電路

由于并聯晶閘管之間不均流,可得到電流不平衡率α為

此時,器件的通態電阻(U AK/I A)將成為影響電流分配不平衡的主要因素(式中UAK是器件導通時管壓降)。因此,為保證靜態均流,首先應選擇通態電壓U AK相同的元件并聯。

2 母線配置對靜態均流的影響

對于通態電阻相同的一組并聯器件,母線的接入方式也會造成電流分配的不均衡。這是因為母線存在電阻、自感及互感等。另外,在工作電流較大的場合,母線的配置直接影響磁場及回路阻抗分布,導致連接在不同位置上的晶閘管流過的電流不同。

常見的對稱型母線并聯方式如圖3所示。比較各晶閘管流過的電流大小,可知采用3(c)的并聯方式時,其均流效果最好[4]。

圖3 不同并聯方式的均流效果

3 元件開關時間對動態均流的影響

動態電流不均勻是由器件的開關時間不同步引起的。并聯晶閘管開通時間不一致不僅會造成并聯支路在開通過程中的瞬態不均流,而且對各并聯支路中平均電流的均衡也有較大的影響。如果開通時間差異太大,可能會造成個別并聯元件不能導通。這是因為先開通的晶閘管的兩端電壓很快降低,當低于未導通晶閘管的門檻電壓時,未開通的晶閘管就無法導通。在并聯晶閘管門極弱觸發時,開通時間延長,分散性增大,更易出現上述情況。

4 器件溫度對動態均流的影響

晶閘管正向導通壓降UAK是指在規定條件下晶閘管導通后,通態電流在器件陽極-陰極間所產生的電壓降。晶閘管正向導通壓降由結壓降U j,體壓降Ub和接觸壓降UΨ組成。接觸壓降UΨ主要由工藝過程及裝配所決定,與半導體和金屬間的接觸質量、材料性質和組裝質量等有關。隨著材料和制造工藝的改進,UΨ在通態壓降中所占的比例很小,其值可以忽略。因而,U D主要由結壓降U j和體壓降U b組成。它們隨溫度的特性決定了U D的溫度特性。

結壓降U j與溫度的關系式如下[5]:

式中,A為常數,與電流密度的大小有關,電流密度大時其值較高,一般取值在1到2之間;波爾茲曼常數K=1.3806505×10-23J/K;電子電荷量q=1.6×10-19C。T為絕對溫度;J為電流密度;JS為常態飽和電流密度。

其中,E g(T)為絕對溫度T時PN結的導帶底和價帶頂的電勢差。

圖4是不同電流下結壓降曲線,圖中兩條曲線分布對應的是125A和250A的電流。由圖可見,當電流密度J不變時,晶閘管結壓降Uj隨溫度的升高而降低。當溫度不變時,電流增加會導致U j增加,但增加幅度不大。

由于體壓降由晶閘管中四個物理層內電壓降組成:U b=U p1+U N 1+U p2+U N2,但由于 P1、P2和 N2區都是高濃度重摻雜區,這三部分區域內的體壓降可以忽略,所以U b≈U N1。晶閘管N1型基區有高摻雜,有較大寬度W,因此晶閘管體壓降主要由N1型基區貢獻。N1區體壓降與溫度的關系式為[6]

式中,W表示基區寬度。

圖5表示UN1與溫度之間的計算曲線,基區寬度W 取200μm,U N1隨溫度的升高而升高,但U N1的值較小。

圖4 結壓降的計算曲線

圖5 體壓降的計算曲線

在電流不變時,結壓降隨溫度升高而降低,它占正向導通壓降主要部分;體壓降隨溫度升高而升高,占導通壓降次要部分;最終使晶閘管正向導通壓降隨溫度的升高而降低。當并聯運行的同一型號晶閘管,溫度升高時正向壓降降低,從而使得電壓差減小,這無疑會使均流系數增大,其增大的幅度與溫升的高低有關。因此,溫度升高可使晶閘管特性差異縮小,有利于提高均流系數。

5 結語

通過上述分析,影響晶閘管并聯均流的因素有很多,在設計并聯電路時,應盡可能選用參數匹配的器件、對稱的并聯電路布局,并使各種寄生電感最小化,以利于器件并聯運行時達到理想的均流效果。實際應用中,由于受到各種客觀因素限制,往往需要折衷考慮各種影響因素:當工作頻率較低時,主要考慮改善靜態不均流;當工作頻率較高時,主要考慮改善動態不均流。

[1] 鄭耀添.并聯均流技術在高頻開關電源中的應用研究[J].西安:微電子學與計算機,2006,23(6):169-171

[2] H e,J.,Jacobs,M.E..Non-Dissipative Dynamic Cu rrent-Sharing Snubber for Parallel Connected IGBTs in High Power Boost Converters[J].Applied Power Electronics Conference and Exposition,APEC'99,1999:1105-111

[3] 錢宇峰.電解整流系統電磁場的影響與抑制[J].北京:電磁干擾技術,2003,(1):15-17

[4] 陸地.大電流硅整流裝置在氯堿工業中的應用[M].西安:西安建筑科技大學,2004

[5] 楊文換.變流器均流系數的溫度特性[J].西安:電力電子技術,2003,37(2):75-78

[6] Menhart S,H udgins J L,Portnoy W M.The low temperature behavio r of thy ristors[C].PESC'90 Record,21st Annul IEEE,Power Electronics Specialists conference,1990:435-442

Teaching of Static and Dynamic Current Sharing in Paralleled Thyristors

ZHANG Bo,ZHAGN Xue-ji,WANG Xue-mei,QIU Dong-yuan

(Sou th Ch ina University o f Technology,Guangzhou 510640,Ch ina)

Current sharing in paralleled thyristors,w hich is an im portant partof Power Electronic Technology course,is alw ays difficult for students to establish an integrated understanding sincem osto f the tex tbooks only provide the qualitative analysis.According to the development of power electronic technology,the characteristic of current sharing is systematically discussed in this paper,like its impact factors,such as on-state voltage d rop,sw itching time,busbar con figuration and component temperature,etc.w hich make up the insufficient of the existing textbooks.Finally,some realization methods for current sharing are presented.

thyristor;parallel;current sharing

TM 731

A

1008-0686(2011)02-0105-03

2010-07-28;

2010-11-23

張 波(1962-),男,博士,教授,主要從事電力電子與電力傳動的研究工作,E-m ail:epbzhang@scut.edu.cn