脈沖功率晶閘管溫度變化檢測系統(tǒng)設計與仿真

廉龍飛 王旭梅 馬成群

摘 要：脈沖功率晶閘管在反復的電源放電瞬間內部管芯的溫度會升高，為了得到功率晶閘管內部芯片溫度的變化本文基于Matlab電力電子仿真平臺，建立了利用FGB測試內部管芯溫度的模型。

關鍵詞：脈沖；晶閘管；FBG；溫度測量；解調；模型

當前隨著電磁武器的發(fā)展，脈沖功率源成為世界研究的重點，晶閘管作為脈沖晶閘管的開關經(jīng)受著多次充放電，晶閘管在高壓和浪涌流的沖擊下晶閘管的結溫迅速升高，局部熱量聚集，長此以往將造成晶格的損毀，所以晶閘管結溫的高低將影響著晶閘管穩(wěn)定性。

FBG（光纖布喇格光柵）具有質量輕、尺寸小、耐高溫、高壓和抗強磁場的特性，能夠復用和搭建網(wǎng)路。正是其具有這樣的優(yōu)點我們利用FBG嵌入到大功率器件晶閘管中對晶閘管內部管芯進行溫度監(jiān)測。本文的研究路徑為利用有限元分析法進行數(shù)值仿真，進而對晶閘管內部管芯在脈沖功率源放電瞬間產(chǎn)生的溫度進行分析。

一、設計方案

我們設計的系統(tǒng)包含有寬帶光源、耦合器、FBG、解調儀、隔離器等，我們用ASE寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過隔離后輸入到2x2的耦合器中并輸出的光通過連接器耦合到FBG種，F(xiàn)BG粘在被測試晶閘管上，F(xiàn)BG所感受的溫度和被測試的晶閘管產(chǎn)生的溫度保持一致。然后利用非平衡M-Z干涉儀由2X2耦合器與3x3耦合器構成，并將FBG的中心波長的偏移量轉變?yōu)轫憫淖兓浚霉怆娹D換將光信號轉換為電壓信號后，經(jīng)過調理電路后進行濾波放大上傳到上位機，上位機采用虛擬儀器開發(fā)平臺對采集到的信號進行數(shù)據(jù)處理。（設計方案見圖1）。

二、解調原理

假如耦合器輸出光強相等，帶傳感信息的光信號經(jīng)過非平衡M-Z干涉儀完成后產(chǎn)生120?的相位差。3X3耦合器的輸出光強度為：[In=Id+Iacosφ+2nπ3，n=1，2，3]（公式一），[Id]是光強的直流分量，[Ia]是光強的交流分量。對公式一簡化可以得到的干涉場相位是[φ]=arctan（[3（I1I3）2I2-I1-I3]）（公式二），此公式中的[I1I2I3]是三個輸出端口輸出的光強，利用LabBIEW2010，將公式二編寫相位解調程序獲取變化量，在非平衡M-Z干涉儀中耦合器兩臂間的位差為：[φλB=2πnlλB]（公式三），n為光纖纖芯的折射率，I為光程差，[λB]是FBG的中心波長，我們可以將依據(jù)FBG傳感原理把公式三改寫為?[φλB=2πnlλBKT·T]（公式四），此公式中[KT]為FBG溫度傳感系數(shù)，系數(shù)為常數(shù)，所以解調出相位與應變程線性關系，溫度傳感系統(tǒng)通過標定獲得為11.637pm/℃。

三、基于Matlab仿真平臺的有限元數(shù)值仿真

1.晶閘管模型。以Matlab中的Simulink為軟件仿真平臺，根據(jù)單元器件說明可知，Simulink元件庫中精細晶閘管模型具有晶閘管的基本功能。為了建立模型和減少后期數(shù)值求解的資源，我們將晶閘管簡化成圓柱體，假設室溫為20℃，加載對流換熱系數(shù)和求解時間為t，t∈[0，-5]，仿真波形峰值為14.3kA，脈寬為500[μs]。因此我們可以用[Vt=A+B·It+C·lnIt+DIt]（公式五）來表示通態(tài)壓降與通態(tài)電流之間的關系。我們首先根據(jù)Y100KPM晶閘管的型號參數(shù)繪制出通態(tài)壓降與通態(tài)電流曲線，利用Matlab解出，A、B、C、D值，代入公式五獲得了[Vt=-7.2145+0.0013·It+1.7664·lnIt-0.1045It]。我們把仿真電流波形的峰值代入，獲得了通態(tài)壓降V（t）為1.3512V，我們按照[PT=V（t）·It]可以求出瞬態(tài)功率[P（t）=1.637×104W]。

2.仿真結果。我們發(fā)現(xiàn)晶閘管放電過程中最高溫為150℃，當脈寬為100[μs]—10[μs]時，晶閘管的瞬時溫度可以允許升高到500℃，因此在所承受范圍內不會對晶閘管造成影響。又因為器件的功率損耗集中在芯片的PN結上，因此溫度主要集中在芯片附近，當浪涌結束以后，溫度又向鉬層和銅基座散熱。我們將實測的電流數(shù)據(jù)按照上面的計算方式得到散點熱生成率，經(jīng)過計算機計算得到了晶閘管的溫升（如圖2）。

3.誤差的考量。我們從圖2中看出晶閘管溫升曲線最高為89.325/℃，縱然這個數(shù)據(jù)是仿真后的結果與實際測試結果肯定有出入，我們分析其結果的誤差可能來自于以下三個方面：首先時我們的模型把晶閘管模擬成了圓柱體，與現(xiàn)實的形狀有不同，而且對芯片、鉬片、銅基座之間的焊料層和封裝外殼都進行了簡化，這些導熱也時影響到仿真數(shù)據(jù)誤差。其次真實的實驗也會受到室內環(huán)境的影響，我們仿真時設計的室溫為20℃，實驗數(shù)據(jù)也會和室溫有區(qū)別。再次解調電路也會受到噪音的干擾，這與我們在計算機仿真時沒有設計噪聲，因此結果也是有差別的。

參考文獻

[1]王永平，楊建明，趙文強，李海英.換相失敗對晶閘管結溫影響及保護定值整定研究[J].電力工程技術，2017（04）.

[2]江南，陳民鈾，徐盛友，賴偉，高兵.計及裂紋損傷的IGBT模塊熱疲勞失效分析[J].浙江大學學報（工學版），2017（04）.

[3]趙輝，劉凱.采用調整交流進線改善并聯(lián)運行勵磁功率柜均流系數(shù)的實例分析及應用[J].水電廠自動化，2016（03）.

[4]龔巖，田銘興.變壓器式可控電抗器的晶閘管閥組選型[J].高壓電器，2015（08）.

[5]高迎慧，付榮耀，劉坤，孫鷂鴻，嚴萍.基于間歇充電工況的高功率密度電源暫態(tài)熱設計[J].高電壓技術，2014（04）.

[6]吳巖松，羅皓澤，李武華，何湘寧，鄧焰.用于IGBT模塊結溫預測的熱——電耦合模型研究[J].電工電能新技術，2014（03）.