張 波,張雪霽,王學(xué)梅,丘東元

(華南理工大學(xué)電力學(xué)院,廣東廣州 510640）

晶閘管并聯(lián)靜動(dòng)態(tài)均流原理的教學(xué)

張 波,張雪霽,王學(xué)梅,丘東元

(華南理工大學(xué)電力學(xué)院,廣東廣州 510640）

晶閘管的并聯(lián)均流是“電力電子技術(shù)”課程的一個(gè)內(nèi)容,大多數(shù)教科書對(duì)該部分的介紹都以定性分析為主,使學(xué)生難以建立完整的概念。本文根據(jù)目前電力電子技術(shù)的發(fā)展,從影響晶閘管并聯(lián)均流的因素,如通態(tài)壓降、開關(guān)時(shí)間、器件溫度和母線配置等,到實(shí)現(xiàn)均流的技術(shù)和方法,系統(tǒng)闡述了晶閘管并聯(lián)的靜動(dòng)態(tài)均流特性,從而彌補(bǔ)了現(xiàn)有教科書中的不足。

晶閘管;并聯(lián);均流

0 引言

晶閘管并聯(lián)工作是提高電容量、增加設(shè)備運(yùn)行可靠性的有效途徑。電流分配均衡與否直接影響到設(shè)備的可靠運(yùn)行。在各類電力電子技術(shù)教材中,對(duì)晶閘管的靜動(dòng)態(tài)均流往往定性分析較多,學(xué)生難以建立完整的概念。

為了指導(dǎo)學(xué)生在實(shí)際的并聯(lián)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)理想均流效果,本文從靜動(dòng)態(tài)均流的角度分析了影響晶閘管并聯(lián)均流的因素。當(dāng)功率半導(dǎo)體器件并聯(lián)時(shí),在各并聯(lián)支路之間,會(huì)產(chǎn)生電流分配不均的靜態(tài)均流問題。其原因是由于正向峰值電壓差異,支路之間存在互感,交直流母線位置而產(chǎn)生的支路阻抗差別。而且,因器件開通時(shí)間的差異還會(huì)引起電流不均的動(dòng)態(tài)均流問題[1]。本文為此給出改善均流的技術(shù)和方法。

在對(duì)均流問題的討論中,并聯(lián)元件之間的電流平衡程度用均流系數(shù)K表示,它是并聯(lián)支路電流的平均值與各支流中最大電流的比值,表示如下:

式中,I i為各并聯(lián)元件中的電流值;n為并聯(lián)支路系數(shù);Imax為Ii中電流最大值。

顯然,裝置的均流系數(shù)越大表示均流效果越好。但該參數(shù)與多種因素有關(guān),例如器件本身的特性,結(jié)溫的影響以及裝置結(jié)構(gòu)的排布。國際標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為,K≥0.85已達(dá)到均流要求。

1 通態(tài)壓降對(duì)均流的影響

穩(wěn)態(tài)條件下,單個(gè)晶閘管輸出特性之間的差異直接影響電流分配均衡。兩個(gè)輸出特性不一致的晶閘管T1和T2,并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的輸出特性曲線如圖1所示[2]。

圖1 晶閘管輸出特性比較

圖中U 01、U 02分別是 Tl和 T2在電流為零時(shí)陽極和陰極之間的電壓,△U 1和△U 2分別表示兩個(gè)晶閘管在電流為I A1和I A2時(shí)的電壓變化量。

并聯(lián)器件的導(dǎo)通特性很大程度受器件特性影響,如通態(tài)電阻r和閥值電壓u0。當(dāng)晶閘管在通態(tài)時(shí),可以用通態(tài)電阻r和閥值電壓u0串聯(lián)模型代替該器件,如圖2所示。

圖2 晶閘管導(dǎo)通等效電路

由于并聯(lián)晶閘管之間不均流,可得到電流不平衡率α為

此時(shí),器件的通態(tài)電阻(U AK/I A)將成為影響電流分配不平衡的主要因素(式中UAK是器件導(dǎo)通時(shí)管壓降)。因此,為保證靜態(tài)均流,首先應(yīng)選擇通態(tài)電壓U AK相同的元件并聯(lián)。

2 母線配置對(duì)靜態(tài)均流的影響

對(duì)于通態(tài)電阻相同的一組并聯(lián)器件,母線的接入方式也會(huì)造成電流分配的不均衡。這是因?yàn)槟妇€存在電阻、自感及互感等。另外,在工作電流較大的場(chǎng)合,母線的配置直接影響磁場(chǎng)及回路阻抗分布,導(dǎo)致連接在不同位置上的晶閘管流過的電流不同。

常見的對(duì)稱型母線并聯(lián)方式如圖3所示。比較各晶閘管流過的電流大小,可知采用3(c)的并聯(lián)方式時(shí),其均流效果最好[4]。

圖3 不同并聯(lián)方式的均流效果

3 元件開關(guān)時(shí)間對(duì)動(dòng)態(tài)均流的影響

動(dòng)態(tài)電流不均勻是由器件的開關(guān)時(shí)間不同步引起的。并聯(lián)晶閘管開通時(shí)間不一致不僅會(huì)造成并聯(lián)支路在開通過程中的瞬態(tài)不均流,而且對(duì)各并聯(lián)支路中平均電流的均衡也有較大的影響。如果開通時(shí)間差異太大,可能會(huì)造成個(gè)別并聯(lián)元件不能導(dǎo)通。這是因?yàn)橄乳_通的晶閘管的兩端電壓很快降低,當(dāng)?shù)陀谖磳?dǎo)通晶閘管的門檻電壓時(shí),未開通的晶閘管就無法導(dǎo)通。在并聯(lián)晶閘管門極弱觸發(fā)時(shí),開通時(shí)間延長,分散性增大,更易出現(xiàn)上述情況。

4 器件溫度對(duì)動(dòng)態(tài)均流的影響

晶閘管正向?qū)▔航礥AK是指在規(guī)定條件下晶閘管導(dǎo)通后,通態(tài)電流在器件陽極-陰極間所產(chǎn)生的電壓降。晶閘管正向?qū)▔航涤山Y(jié)壓降U j,體壓降Ub和接觸壓降UΨ組成。接觸壓降UΨ主要由工藝過程及裝配所決定,與半導(dǎo)體和金屬間的接觸質(zhì)量、材料性質(zhì)和組裝質(zhì)量等有關(guān)。隨著材料和制造工藝的改進(jìn),UΨ在通態(tài)壓降中所占的比例很小,其值可以忽略。因而,U D主要由結(jié)壓降U j和體壓降U b組成。它們隨溫度的特性決定了U D的溫度特性。

結(jié)壓降U j與溫度的關(guān)系式如下[5]:

式中,A為常數(shù),與電流密度的大小有關(guān),電流密度大時(shí)其值較高,一般取值在1到2之間;波爾茲曼常數(shù)K=1.3806505×10-23J/K;電子電荷量q=1.6×10-19C。T為絕對(duì)溫度;J為電流密度;JS為常態(tài)飽和電流密度。

其中,E g(T)為絕對(duì)溫度T時(shí)PN結(jié)的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)碾妱?shì)差。

圖4是不同電流下結(jié)壓降曲線,圖中兩條曲線分布對(duì)應(yīng)的是125A和250A的電流。由圖可見,當(dāng)電流密度J不變時(shí),晶閘管結(jié)壓降Uj隨溫度的升高而降低。當(dāng)溫度不變時(shí),電流增加會(huì)導(dǎo)致U j增加,但增加幅度不大。

由于體壓降由晶閘管中四個(gè)物理層內(nèi)電壓降組成:U b=U p1+U N 1+U p2+U N2,但由于 P1、P2和 N2區(qū)都是高濃度重?fù)诫s區(qū),這三部分區(qū)域內(nèi)的體壓降可以忽略,所以U b≈U N1。晶閘管N1型基區(qū)有高摻雜,有較大寬度W,因此晶閘管體壓降主要由N1型基區(qū)貢獻(xiàn)。N1區(qū)體壓降與溫度的關(guān)系式為[6]

式中,W表示基區(qū)寬度。

圖5表示UN1與溫度之間的計(jì)算曲線,基區(qū)寬度W 取200μm,U N1隨溫度的升高而升高,但U N1的值較小。

圖4 結(jié)壓降的計(jì)算曲線

圖5 體壓降的計(jì)算曲線

在電流不變時(shí),結(jié)壓降隨溫度升高而降低,它占正向?qū)▔航抵饕糠?體壓降隨溫度升高而升高,占導(dǎo)通壓降次要部分;最終使晶閘管正向?qū)▔航惦S溫度的升高而降低。當(dāng)并聯(lián)運(yùn)行的同一型號(hào)晶閘管,溫度升高時(shí)正向壓降降低,從而使得電壓差減小,這無疑會(huì)使均流系數(shù)增大,其增大的幅度與溫升的高低有關(guān)。因此,溫度升高可使晶閘管特性差異縮小,有利于提高均流系數(shù)。

5 結(jié)語

通過上述分析,影響晶閘管并聯(lián)均流的因素有很多,在設(shè)計(jì)并聯(lián)電路時(shí),應(yīng)盡可能選用參數(shù)匹配的器件、對(duì)稱的并聯(lián)電路布局,并使各種寄生電感最小化,以利于器件并聯(lián)運(yùn)行時(shí)達(dá)到理想的均流效果。實(shí)際應(yīng)用中,由于受到各種客觀因素限制,往往需要折衷考慮各種影響因素:當(dāng)工作頻率較低時(shí),主要考慮改善靜態(tài)不均流;當(dāng)工作頻率較高時(shí),主要考慮改善動(dòng)態(tài)不均流。

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Teaching of Static and Dynamic Current Sharing in Paralleled Thyristors

ZHANG Bo,ZHAGN Xue-ji,WANG Xue-mei,QIU Dong-yuan

(Sou th Ch ina University o f Technology,Guangzhou 510640,Ch ina)

Current sharing in paralleled thyristors,w hich is an im portant partof Power Electronic Technology course,is alw ays difficult for students to establish an integrated understanding sincem osto f the tex tbooks only provide the qualitative analysis.According to the development of power electronic technology,the characteristic of current sharing is systematically discussed in this paper,like its impact factors,such as on-state voltage d rop,sw itching time,busbar con figuration and component temperature,etc.w hich make up the insufficient of the existing textbooks.Finally,some realization methods for current sharing are presented.

thyristor;parallel;current sharing

TM 731

A

1008-0686(2011)02-0105-03

2010-07-28;

2010-11-23

張 波(1962-),男,博士,教授,主要從事電力電子與電力傳動(dòng)的研究工作,E-m ail:epbzhang@scut.edu.cn