脈沖大電流工況下晶閘管反向恢復過程建模研究

沙新樂，張桂林，李 蕊，彭定康

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

0 引言

脈沖功率技術起源于20世紀30年代，并于60年代之后得到飛速發展。目前該技術廣泛應用于脈沖功率電源、核物理工程、X射線以及直流斷路器等高新技術領域。晶閘管由于體積小，控制方便，通流大，壽命長等特點而作為開關元件，在脈沖功率系統中占有特殊的地位。近年來，隨著耐受高di/dt的快速晶閘管、脈沖晶閘管的不斷發展，已呈現出全面取代真空觸發開關、火花開關等傳統開關的趨勢。

正向導通過程中，大量載流子存儲在晶閘管的基區，導致當電流過零后，器件并不能立刻關斷。需要經過反向恢復過程，將存儲的載流子以反向電流的形式掃出，才能恢復反向阻斷能力。該過程中，回路電壓及感應電動勢的疊加，往往會在晶閘管兩端形成很高的過電壓尖峰，是導致器件損壞的主要原因。建立晶閘管反向恢復過程的數學模型對于指導器件保護電路設計具有重要意義。文獻[1]指出正向電流峰值增大是導致反向恢復電流峰值增大的主要原因。文獻[2]指出晶閘管反向恢復過程各物理量均可擬合為關于關斷電流變化率的函數。文獻[4]通過仿真分析指出，結溫、正向電流峰值IF和關斷di/dt均會影響晶閘管的儲存電荷從而影響反向恢復過程。這些研究很多是針對工作于穩態電流工況下的晶閘管器件，且研究過程未將各種影響因素分開考慮。

本文設計試驗回路，對關斷di/dt相同，正向電流峰值IF不同和正向電流峰值IF相同，關斷di/dt不同這兩種情況下晶閘管中的電流以及器件兩端電壓波形進行測量和分析，提出了一種能準確反映晶閘管反向恢復過程的雙曲正割分段函數模型，并通過試驗驗證了該模型的準確性。

1 晶閘管反向恢復過程的試驗探究

影響晶閘管反向恢復過程的因素主要包括：正向電流峰值、關斷電流變化率、結溫等。工作于脈沖工況下的晶閘管器件，工作頻率很低，可以忽略結溫的影響，只考慮正向電流峰值和關斷電流變化率的影響。

為分別探究正向電流峰值IF和關斷電流變化率 di/dt對晶閘管反向恢復過程中電流變化的影響，搭建試驗電路如圖1所示。試驗過程中，調節電容C0的充電電壓，可以產生不同的正向脈沖電流峰值IF；調節電容C1的充電電壓，可以調節晶閘管T1的關斷電流變化率di/dt。

圖1 試驗回路拓撲結構

關斷電流變化率di/dt相同，正向IF電流峰值不同和正向電流峰值IF相同，關斷電流變化率di/dt不同兩種情況下，晶閘管反向恢復過程中的電流變化情況分別如圖2和圖3所示。

圖2 IF不同的晶閘管反向恢復過程電流波形

圖3 關斷di/dt不同的晶閘管反向恢復電流波形

由圖2看出，在關斷電流變化率di/dt相同，正向電流峰值IF不同的工況下，晶閘管反向恢復過程中的電流曲線基本重合。圖3表明，在正向電流峰值保持一定情況下，隨著關斷電流變化率di/dt增大，反向恢復電流峰值呈逐漸增大趨勢。因此，當正向導通電流峰值IF達到一定值后，載流子的存儲趨于飽和，對反向恢復過程中電流變化無明顯影響，關斷電流變化率di/dt才是影響晶閘管反向恢復過程各參數變化的主要因素。

2 基于雙曲正割函數的晶閘管模型

由圖2以及圖3中電流變化波形可以看出。反向恢復過程中，電流先近似以關斷電流變化率di/dt反向上升到反向恢復電流峰值IRM；然后電流開始下降，電流變化率呈現出先從零開始逐漸增大，達到最大值后逐漸減小，最終在電流下降到反向漏電流的時候，再次降為零的趨勢?？梢圆捎梅侄魏瘮得枋鼍чl管中電流變化情況，函數的數學表達式見式(1)。

2.1 模型參數提取

保持正向電流峰值相同，不同關斷電流變化率di/dt對應的電流反向上升時間ts，下降時間tf，反向恢復電荷Qrr等參數如表1所示。

表1 IF相同，關斷di/dt不同的反向恢復參數變化情況

據此擬合電流反向上升時間ts關于關斷電流變化率di/dt的函數見式（2）。

在反向恢復電流下降階段，工程中，通常以反向恢復電流峰值IRM與1/4IRM連線與X軸的交點表示反向恢復過程結束的時刻?？傻茫?/p>

晶閘管反向恢復過程中電流的變化情況可以近似等效為三角形，則得：

將（6）帶入（4）求得：

其中，擬合Qrr關于關斷電流變化率的函數表達式見式(8)。

2.2 模型仿真與試驗驗證

在 PSCAD軟件中搭建晶閘管反向恢復過程中的分段函數模型。利用圖4所示LC脈沖測試回路，在改變晶閘管并聯保護參數Cs、U、Rs四種工況下，通過仿真和試驗對比，測試模型的精度，其中電容C=500 μF，電感L=17 μH。

圖4 LC脈沖測試回路

反向恢復過程晶閘管中電流以及器件兩端電壓分別如圖5（a）（b）（c）（d）所示。

圖5 不同工況下的仿真與試驗波形

通過圖5中電流以及電壓波形以及表4中電流與電壓峰值可以看出，在4種不同測試工況下，仿真波形和試驗波形基本吻合，表明該模型能夠有效模擬出晶閘管反向恢復過程中電流和電壓的變化趨勢。

表4 不同工況下，IRM和URM的試驗值與仿真值

3 結論

本文通過搭建試驗回路分別探究了脈沖大電流工況下正向電流峰值IF和關斷電流變化率di/dt對晶閘管反向恢復過程中電流變化情況的影響，得出結論如下：

1）脈沖大電流工況下，正向導通過程中載流子的存儲已經區于飽和，反向恢復過程與正向電流峰值IF基本無關；

2）關斷電流變化率di/dt是影響脈沖大電流工況下晶閘管反向恢復過程電流變化的主要因素，反向恢復電流峰值IRM，反向恢復電荷Qrr，隨著關斷電流變化率di/dt增加而呈線性增大。

在此基礎上提出雙曲正割分段函數模型能有效模擬出晶閘管反向恢復過程中電流和電壓的變化趨勢，參數提取簡單，實用性廣，對于晶閘管保護參數設計具有一定的指導意義。