突加大脈沖電流條件下晶閘管關斷時間計算

劉佳，蔣心怡，莊勁武，王晨

（海軍工程大學，武漢 430033）

0 引言

晶閘管作為大功率開關器件應用于某新型艦船真空直流斷路器[1-3]，關斷需用較窄的負脈沖電流，其脈沖寬度由晶閘管的關斷時間來決定，因此晶閘管的關斷時間是其重要參數。在實際使用中，不同外部電路條件，以及晶閘管的分散性，同一型號晶閘管的關斷時間是不同的。在實驗中發現，晶閘管在突加大脈沖電流條件下強迫關斷時，重加正向電壓時刻靠近晶閘管關斷時間，晶閘管容易被擊穿。因此，能夠通過晶閘管的已知參數，較為準確的計算出在實驗條件下的關斷時間，是有必要的。

文獻[4]給出了晶閘管傳統關斷時間公式推導，該推導過程沒有考慮正向導通電流，反偏電壓，重加 dV/dt等外部因素對關斷時間的影響；文獻[5]分析了實際應用的強迫換向和感性負載條件下的關斷過程，它給出了晶閘管在關斷時，電流過零時刻的存儲電荷與穩定通流時存儲電荷的關系式，指出對與電流下降率較小的情況，電流過零時刻的存儲電荷與穩定時正向通流值無關，并給出了電流過零時刻存儲電荷與di/dt的關系式，但沒有分析脈沖電流由零到達峰值時刻的存儲電荷與穩定通流時存儲電荷的關系；文獻[6]建立了恢復過程的模型，包括了陰極發射區短路點的影響與再加電壓dV/dt的影響。

本文在考慮不同外部電路條件對關斷時間的影響基礎上，分析晶閘管在大脈沖電流條件下與穩態通流條件下存儲電荷的關系，并推導出關斷時間的解析計算式。

1 晶閘管關斷過程分析

晶閘管的關斷過程分為三個階段，延時階段，下降階段，正向恢復階段。當晶閘管處于導通狀態時，所有三個PN結均為正向偏置，在器件中存在過剩的少數載流子和多數載流子，這些過剩載流子隨正向電流增加而增加。關斷時，過剩載流子必須由電場掃出，或經復合消失[7]。典型的關斷電流波形如圖1所示。對圖1中的電流波形進行準確的分析是很復雜的，但是文獻[8]指出可以通過下面的方法預估關斷時間。該文獻認為時間延遲主要由 N1層中的復合時間決定。基極電荷復合時間方程：

式中 Qn1為 N1區的通過復合消耗掉的存儲電荷，是時間t的函數；τp為N1區少子壽命，公式（1）解為：

根據關斷時間的定義，關斷時間的零時刻為晶閘管電流過零的時刻。經過tq時間后重加一正向電壓，剩余的存儲電荷Qn1（tq）不足以引起正向觸發，則關斷過程結束。

由公式（2）可得關斷時間為：

假設[4]：

1）在晶閘管關斷前處在穩態條件下通流為IF，器件的存儲電荷為QF；

2）關斷時電流由 IF下降到 0的時間 t0＜＜τp；

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3）由反向電流注入的電荷 Qrr＜＜Qn1（0）；

4）不考慮再加電壓dV/dt的影響。

可以得到傳統關斷時間公式：

本文以式（4）為基礎，考慮晶閘管在脈沖電流條件下關斷前的存儲電荷，得到其在脈沖電流條件下的關斷時間公式。

2 晶閘管關斷時間的計算

晶閘管在大脈沖電流條件下的關斷時間測試實驗電路如圖2所示，晶閘管F為關斷時間的待測對象。

實驗初始狀態：電容C、C1預充電，晶閘管F、F1截止狀態；t1時刻觸發晶閘管F，C、F、L回路放電；t2時刻觸發關斷晶閘管F1，由于F支路電感遠小于電感L，關斷電流幾乎全部從F上流過，F上電流迅速下降至零并截止，電流全部換流至關斷支路。當F電流過零時刻起F承受反壓到關斷回路電流低與主回路電流時刻止F承受正壓這段時間Δt為預留給F關斷時間，本文稱為預關斷時間。通過調整C1充電電壓來調整Δt。

圖3為該實驗主回路電流 i，關斷回路電流iC，晶閘管F電流iA的電流波形。

2.1 突加大脈沖電流條件下晶閘管存儲電荷的計算

Q’F為大脈沖電流條件下，電流達到峰值 IF時，器件的存儲電荷。

式（5）表明在電流下降階段，存儲電荷與時間為指數關系。

在同一實驗中晶閘管在負脈沖電流注入前不是穩定通流，而是高上升率的脈沖電流，根據式（5）存儲電荷與時間的指數關系，可以認為電流在上升階段，存儲電荷隨與時間為相同的指數關系，由此推導出Q’F與QF的關系式：

QF是晶閘管處在穩態通流IF時，器件的存儲電荷。

將式（6）代入式（5）得到突加大脈沖電流條件下電流過零時刻器件的存儲電荷公式。快速晶閘管的 τp一般小于 3μs，而 t0與 tF一般大于50μs，因此，可以得到電流過零時刻存儲電荷的近似公式：

由式（7）可知，在脈沖電流條件下晶閘管存儲電荷同穩態通流時晶閘管存儲電荷之間的關系：脈沖電流上升越慢（tF越大），晶閘管的存儲電荷越接近穩態電流時的存儲電荷；脈沖電流下降越快（t0越小），晶閘管的存儲電荷越接近穩態電流時的存儲電荷。

2.2 反向電流IR對存儲電荷的影響

晶閘管在大注入條件下，換相后通過晶閘管的反向電流IR對關斷時間有影響。文獻[4]分析了該過程和影響因素。反向電流IR在晶閘管中流過，此段時間晶閘管的存儲電荷減少總值為 Qrr，Qrr是不等于恢復電荷積分值（圖 4中陰影區）QRR的，因為在恢復階段，載流子向基區的注入仍在繼續進行，所以 Qrr是 QRR中的一部分。反偏電壓越高時，恢復電荷越快被抽走，Qrr在QRR中的比例就越大。關斷過程開始時 N1區的存儲電荷Qn1（0）應該是電流過0時刻的存儲電荷減去反向電流注入的電荷 Qrr，即：Qn1(0)=Qt0?Qrr。文獻[4]沒有給出 Qrr在 QRR中的比例與反偏電壓的關系式，無法給本文定量計算提供依據。當反偏電壓較低時，本文近似認為Qrr等于0。

2.3 晶閘管關斷時間的計算

突加脈沖電流是影響晶閘管關斷時間的主要外部因素，當反偏電壓較低，忽略 Qrr對恢復電荷的影響，忽略重加 dV/dt差異的影響，關斷時間公式修改為：

τp未知，由晶閘管出廠參數和測試條件，根據式（8）通過 matlab等軟件求出 τp，再將 τp和實驗所需的脈沖電流參數代入式（8），得到實驗條件下關斷時間計算值。

3 近似計算值與實驗對比

實驗采用圖2所示實驗電路，晶閘管F分別采用兩只北京東菱公司的kk1000 A/2500 V快速晶閘管為實驗對象。該型晶閘管提供的關斷時間出廠測試條件為：溫度 125℃，正向通流為峰值為1 kA、平均di/dt為20 A/μs正弦半波，再加斷態電壓 1.25 kV。在該條件下測定的關斷時間為19 μs和20 μs。該型晶閘管維持電流在125℃時為 400 mA。將上述參數代入式（8），用 matlab計算出 τp分別為 3.939 μs和 4.112 μs。

實驗溫度25℃，C為2 mF，C1為250 μF，L為40 μH，L1為5 μH。關斷峰值為2 kA的脈沖電流， tF為 240 μs左右，t0為 20 μs左右。根據實驗波形所得到的參數用式（8）計算出兩只晶閘管的關斷時間分別為25.97 μs和27.28 μs（在25℃條件下，該型晶閘管維持電流為500 mA）。兩只晶閘管在不同預關斷時間的狀態如表 1所示。

表1 關斷時間測試實驗結果

該實驗結果表明在該實驗條件下，兩只晶閘管的關斷時間為34 μs到35 μs之間。

4 小結

本文考慮到正向突加脈沖電流對關斷時間的影響，根據存儲電荷理論修改了傳統關斷時間公式，推導了晶閘管在突加大脈沖電流條件下關斷時間的解析計算式，并與實驗進行了對比，在此基礎上得到的主要結論有：

1） 如果只考慮正向脈沖電流對關斷時間的影響，可以通過廠家提供的關斷時間和測試條件用式（8）計算出不同正向脈沖電流條件下的關斷時間；

2） 根據本文的實驗值與計算值的對比，發現有一定差距，這是因為影響關斷時間的主要外部因素是正向脈沖電流，但還需考慮反偏電壓、重加 dV/dt和溫度等因素。下一步工作將研究反偏電壓與重加 dV/dt對關斷時間的影響，對其進行定量的分析，完善本文的關斷時間計算公式。

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