高壓雷擊測試用二極管閥串的研制

唐柳生 孫文偉 石 鏗 曾文彬

株洲中車時代半導體有限公司 湖南 株洲412001

1 緒論

高壓雷擊測試是工業設備非常重要的一項測試,很多設備系統特別是戶外裝置都有該項測試要求,從而催生了高壓雷擊測試裝置的研制。高壓雷擊測試需要雷電波發生器,為了得到合乎標準要求的雷電波形,需要使用大功率二極管器件[1]。

本文介紹高壓雷擊測試用二極管閥串的電氣、結構、測控系統的設計原理、方法和實驗,難點在于高壓絕緣設計、和狀態反饋系統的隔離采集和數字通信的抗電磁干擾設計。

2 輸入分析

2.1 仿真與工況實測 高壓雷電波發生裝置在放電時刻,其原理可以簡化等效為圖所示。電容C通過球隙開關S對負載RL放電,為了避免產生電磁振蕩,必須用二極管D 進行續流,從而得到通過負載的雷電波電壓電流。其電路拓撲如圖1所示。

通過對圖1仿真得到二極管的電流波形得到負載RL或二極管D上的峰值電流為230k A,峰值電流的10%-10%寬度約為1 ms,波形如圖2。[2]

為了簡化計算,我們只計算二極管通態的發熱,可以使用典型的壓降計算模型來計算:

2.2 通流熱效應分析 使用有限元仿真軟件,輸入二極管的壓降模型參數,仿真得到芯片結溫度變化。這里使用的是ZPD 6100-55器件。溫升最高在1 ms末,達到87.61℃,集中在PN結上,最高溫度點的溫度變化如圖4,可見這種工況在0.1s末,芯片結溫基本回到了初始溫度。[3]

按照以往案例的經驗,仿真瞬態結溫Tj在200℃以內都可以認為器件滿足瞬態工作要求,這是按照失效統計驗證得到的方法。如此,ΔTmax=

87.6 1℃,如環境溫度在0～40℃,則結溫處于正常范圍內。

3 電氣與結構

5.5 k V的二極管15只為一組,4組再串聯,即總共60只器件串聯,總反向不重復峰值電壓達到330k V。堆疊結構的設計可實現較小體積的要求。

4 測控系統設計

為了知道在二極管閥串的運行過程中是否有部分二極管失效,我們要設計狀態測控系統。每只二極管都配置了一個RC吸收電路、一個二極管狀態檢測反饋電路。通過耦合效應,取能電路從高壓取得電能并驅動激光二極管發光,該路光信號通過光纖傳送到控制板,并由CPLD在對60路輸入信號采樣。

運行中由于雷電電磁場的影響,存在嚴重的電弧電磁干擾,頻譜主要在20 M-500 MHz范圍內分布[4],本例中采取干擾點復位和采樣避開的原理實現測控系統抗干擾[8]。

圖2 控制器采樣與通信原理

控制核心芯片為CPLD,其采樣編制成數代表60個二極管的“好”(0)、“壞”(1),加上通訊校驗位4bit,共64bit。

5 整體性能測驗

5.1 二極管電壓實驗 在實際180k V電壓下測試,二極管組件配合系統成功運行滿負荷10次無故障。

5.2 測控功能實驗 可以看到控制器發出的串口RNZ編碼發送了出來[6],上位機界面顯示二極管狀態反饋信號,如圖3所示,拔掉2只二極管的狀態反饋光纖,可以看到相應的二極管反饋位顯示為紅色,說明系統可以正確判斷二極管是否具備正常反饋信號。

圖3 拔掉2個二極管信號試驗中上位機顯示

6 結論

二極管的高壓絕緣設計應該留充分的裕量,本設計中創新的采用了單組封閉式設計,從而實現整體的絕緣設計。

二極管的電流計算可以通過二極管的RT模型計算出其發熱量以及某時刻的結溫升。

二極管的測控采用了數字電路,利用CPLD 對二極管狀態反饋信號采集并編制成串口RNZ數字信號傳送給上位機。