淺析功率晶閘管反向恢復特性及其保護

馬艷 馬成群 李陽

摘? 要：功率晶閘管具有反向恢復的特性，本文在分析其物理過程的基礎上，對影響關斷時間的因素作了分析，并對利用LTT換流閥對晶閘管反向恢復保護提出了相應的對策。

關鍵詞：功率晶閘管;恢復時間;影響因素;恢復保護;LTT換流閥

功率晶閘管具有可控性強、重復頻率高、通流大的特點被廣泛的用于脈沖功率電源，但是由于晶閘管具有著反向恢復的特性容易導致晶閘管在關斷的過程中出現過壓損壞。要減小晶閘管過壓損壞就必須對晶閘管的反向恢復特性進行研究。

一、晶閘管反向恢復物理過程分析

晶閘管具有這低摻雜大注入的基區，在構造方面分為三端四層。晶閘管從阻斷狀態變為導通狀態的過程中硅片每個區域都注入了大量的非平衡載流子。這些載流子在晶閘管從導通狀態變為阻斷狀態時經過復合、遷移、擴散的方式消散起效，這一過程被稱為晶閘管的反向恢復過程。

晶閘管由3個PN結構成，當處于阻斷態時假如在門極相對于陰極加上正向電壓[UG]，就會有與陽極電流同方向的門極電流[Ig]通過[J3]結，但是通過[J3]結的電流不再受反偏[J2]結的限制，只需要在改變[J3]結的電壓就可以控制[J3]結的電流大小。當[Ig]增大時[J3]結的電流也會增大，引起了[N2]區向[P2]區注入大量的電子，已紛紛于空穴復合最終形成門極電流，另一部分電子在[P2]區通過擴散到了[J2]結被收集到了[N1]區，導致了[J2]結電子電流的增加。電子被收集到[N1]區導致電位下降，[J1]反而正便，注入空穴的電流增加，通過整個晶閘管的電流[IA]也增加，致使晶閘管導通。

當切斷晶閘管正向電流后，并不能立刻關斷，假如在短時間內加上正向電壓，晶閘管還是會導通。晶閘管關斷特性是通過載流子的濃度的變化來確定的，剩余載流子要降到儲存電荷小于臨界儲存電荷，從切斷正向電流到控制恢極恢復控制能力需要的時間就是關斷時間[toff]。關斷時間為[toff=trr+tgr]，[trr]反向阻斷恢復時間、[tgr]為正向阻斷恢復時間。

二、影響關斷時間的因素

增加通流時間就會導致晶閘管結溫的升高，結溫增加也就意味著會延長基區載流子的壽命，導致恢復時間增加，增大的通流幅值會增加基區存儲的電荷總量，也會增加較長的恢復時間。因此我們可以總結通流時間越長，晶閘管的結溫越高。用公式表示：[pt=i（t）u（t）]，[Tj=T0+ptdZj（t）/dt]。在這個公式中[Tj]為結溫，[T0]為室溫，[Zj（t）]是晶閘管瞬態熱阻和閥散熱片組合的熱阻。在實際工作中大部分的剩余電荷都是在[N1]基區聚集，這一區域對與晶閘管的關斷特性具有決定性作用。

利用電荷控制方程，我們將電荷存貯效應可以用公式來表示：i=[dQdt+Qτ]，[Q]為[N1]區的過剩電荷，[τ]為[N1]區過剩載流子壽命，i為流入[N1]區的電流。假如晶閘管的陽極和陰極的發射效率都是1，在關斷過程中[τ]保持不變，陽極電流i的以（di/dt）的速率在下降，那么在陽極電流i過0時，基區的剩余電荷為[QB=QF（1-et0τ）τt0]，公式中[QB]為陽極電流過0時基區的過剩電荷量，[QF]為電流開始下降時基區過剩電荷量，[t0]為陽極電流的過0時刻。因此我們分析到增加通流時間晶閘管的結溫增加，導致基區的載流子難恢復，導致邊界復合效應的載流子壽命延長，恢復時間增加。另外增加晶閘管通流幅值就增加載流子對基區的注入，晶閘管的恢復時間也增長。

三、LTT換流閥反向恢復保護策略

在反向恢復期晶閘管內存留的恢復電荷載流子非常活躍，我們利用公式[iq=Cjdudt]可以看出載流子的強度[iq]與晶閘管結電容[Cj]以及正向電壓變換率du/dt有關，[Cj]由晶閘管的制造工藝決定，可認為是常數。而du/dt就成為決定[iq]的唯一因素。過高的正向du/dt將導致[iq]瞬時迅猛增加，有可能造成晶閘管局部過熱而損壞，也可能導致晶閘管再度自觸發而損壞。另外晶閘管關斷時載流子被大量消耗，晶閘管的反向阻斷能力開始恢復，反向電流迅速下降。由于反向電流峰值高，關斷時間短，在恢復電流快速衰減時在相連電路中的電感會出現較大的電壓跳變，進而使得晶閘管的兩端也發生電壓跳變，如果跳變電壓超出限度就會導致晶閘管的損壞，因此必須對晶閘管加設反向恢復期保護。

LTT換流閥反向向恢復期保護策略是設計了一塊被稱為RPU（recovery protection unit）反向恢復期保護的電子線路板和閥組件內每個晶閘管閥段的沖擊均壓電容串聯，閥段和RPU的接線及電氣原理如圖1。此圖中[L1L2]為閥飽和電抗器，[A1]為晶閘管堆，[CK]為閥段沖擊均勻壓電容，RPU為反向恢復保護單元。

LTT閥中RPU直接在線探測閥段（多個晶閘管串聯）在反向恢復期電壓上升率du/dt，由閥段的保護特性要求確定的RPU保護功能為：檢測該閥段的電壓上升率du/dt和可產生激光保護脈沖，將該閥段整體保護觸發。其中RPU的保護觸發邏輯必須滿足以下兩個條件：第一是在晶閘管關斷過程中，1.3ms的反向恢復期保護窗口打開。第二是在在保護窗口內每個晶閘管兩端的di/dt>100V/μs。

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