劉佳，蔣心怡，莊勁武，王晨

（海軍工程大學(xué)，武漢 430033）

0 引言

晶閘管作為大功率開關(guān)器件應(yīng)用于某新型艦船真空直流斷路器[1-3]，關(guān)斷需用較窄的負脈沖電流，其脈沖寬度由晶閘管的關(guān)斷時間來決定，因此晶閘管的關(guān)斷時間是其重要參數(shù)。在實際使用中，不同外部電路條件，以及晶閘管的分散性，同一型號晶閘管的關(guān)斷時間是不同的。在實驗中發(fā)現(xiàn)，晶閘管在突加大脈沖電流條件下強迫關(guān)斷時，重加正向電壓時刻靠近晶閘管關(guān)斷時間，晶閘管容易被擊穿。因此，能夠通過晶閘管的已知參數(shù)，較為準確的計算出在實驗條件下的關(guān)斷時間，是有必要的。

文獻[4]給出了晶閘管傳統(tǒng)關(guān)斷時間公式推導(dǎo)，該推導(dǎo)過程沒有考慮正向?qū)娏?，反偏電壓，重?dV/dt等外部因素對關(guān)斷時間的影響；文獻[5]分析了實際應(yīng)用的強迫換向和感性負載條件下的關(guān)斷過程，它給出了晶閘管在關(guān)斷時，電流過零時刻的存儲電荷與穩(wěn)定通流時存儲電荷的關(guān)系式，指出對與電流下降率較小的情況，電流過零時刻的存儲電荷與穩(wěn)定時正向通流值無關(guān)，并給出了電流過零時刻存儲電荷與di/dt的關(guān)系式，但沒有分析脈沖電流由零到達峰值時刻的存儲電荷與穩(wěn)定通流時存儲電荷的關(guān)系；文獻[6]建立了恢復(fù)過程的模型，包括了陰極發(fā)射區(qū)短路點的影響與再加電壓dV/dt的影響。

本文在考慮不同外部電路條件對關(guān)斷時間的影響基礎(chǔ)上，分析晶閘管在大脈沖電流條件下與穩(wěn)態(tài)通流條件下存儲電荷的關(guān)系，并推導(dǎo)出關(guān)斷時間的解析計算式。

1 晶閘管關(guān)斷過程分析

晶閘管的關(guān)斷過程分為三個階段，延時階段，下降階段，正向恢復(fù)階段。當晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)時，所有三個PN結(jié)均為正向偏置，在器件中存在過剩的少數(shù)載流子和多數(shù)載流子，這些過剩載流子隨正向電流增加而增加。關(guān)斷時，過剩載流子必須由電場掃出，或經(jīng)復(fù)合消失[7]。典型的關(guān)斷電流波形如圖1所示。對圖1中的電流波形進行準確的分析是很復(fù)雜的，但是文獻[8]指出可以通過下面的方法預(yù)估關(guān)斷時間。該文獻認為時間延遲主要由 N1層中的復(fù)合時間決定?；鶚O電荷復(fù)合時間方程：

式中 Qn1為 N1區(qū)的通過復(fù)合消耗掉的存儲電荷，是時間t的函數(shù)；τp為N1區(qū)少子壽命，公式（1）解為：

根據(jù)關(guān)斷時間的定義，關(guān)斷時間的零時刻為晶閘管電流過零的時刻。經(jīng)過tq時間后重加一正向電壓，剩余的存儲電荷Qn1（tq）不足以引起正向觸發(fā)，則關(guān)斷過程結(jié)束。

由公式（2）可得關(guān)斷時間為：

假設(shè)[4]：

1）在晶閘管關(guān)斷前處在穩(wěn)態(tài)條件下通流為IF，器件的存儲電荷為QF；

2）關(guān)斷時電流由 IF下降到 0的時間 t0＜＜τp；

成都工業(yè)學(xué)院[3]主要在教學(xué)內(nèi)容上增加零部件測量、檢測、機構(gòu)調(diào)整、汽車配件質(zhì)量的鑒別與檢測、汽車再制造認識、再生燃料及新能源汽車認識等拓展內(nèi)容，以引導(dǎo)學(xué)生不滿足于現(xiàn)狀、努力學(xué)習(xí)，達到強化實踐操作技能、提升工作能力的目的。

3）由反向電流注入的電荷 Qrr＜＜Qn1（0）；

4）不考慮再加電壓dV/dt的影響。

可以得到傳統(tǒng)關(guān)斷時間公式：

本文以式（4）為基礎(chǔ)，考慮晶閘管在脈沖電流條件下關(guān)斷前的存儲電荷，得到其在脈沖電流條件下的關(guān)斷時間公式。

2 晶閘管關(guān)斷時間的計算

晶閘管在大脈沖電流條件下的關(guān)斷時間測試實驗電路如圖2所示，晶閘管F為關(guān)斷時間的待測對象。

實驗初始狀態(tài)：電容C、C1預(yù)充電，晶閘管F、F1截止狀態(tài)；t1時刻觸發(fā)晶閘管F，C、F、L回路放電；t2時刻觸發(fā)關(guān)斷晶閘管F1，由于F支路電感遠小于電感L，關(guān)斷電流幾乎全部從F上流過，F(xiàn)上電流迅速下降至零并截止，電流全部換流至關(guān)斷支路。當F電流過零時刻起F承受反壓到關(guān)斷回路電流低與主回路電流時刻止F承受正壓這段時間Δt為預(yù)留給F關(guān)斷時間，本文稱為預(yù)關(guān)斷時間。通過調(diào)整C1充電電壓來調(diào)整Δt。

圖3為該實驗主回路電流 i，關(guān)斷回路電流iC，晶閘管F電流iA的電流波形。

2.1 突加大脈沖電流條件下晶閘管存儲電荷的計算

Q’F為大脈沖電流條件下，電流達到峰值 IF時，器件的存儲電荷。

式（5）表明在電流下降階段，存儲電荷與時間為指數(shù)關(guān)系。

在同一實驗中晶閘管在負脈沖電流注入前不是穩(wěn)定通流，而是高上升率的脈沖電流，根據(jù)式（5）存儲電荷與時間的指數(shù)關(guān)系，可以認為電流在上升階段，存儲電荷隨與時間為相同的指數(shù)關(guān)系，由此推導(dǎo)出Q’F與QF的關(guān)系式：

QF是晶閘管處在穩(wěn)態(tài)通流IF時，器件的存儲電荷。

將式（6）代入式（5）得到突加大脈沖電流條件下電流過零時刻器件的存儲電荷公式?？焖倬чl管的 τp一般小于 3μs，而 t0與 tF一般大于50μs，因此，可以得到電流過零時刻存儲電荷的近似公式：

由式（7）可知，在脈沖電流條件下晶閘管存儲電荷同穩(wěn)態(tài)通流時晶閘管存儲電荷之間的關(guān)系：脈沖電流上升越慢（tF越大），晶閘管的存儲電荷越接近穩(wěn)態(tài)電流時的存儲電荷；脈沖電流下降越快（t0越小），晶閘管的存儲電荷越接近穩(wěn)態(tài)電流時的存儲電荷。

2.2 反向電流IR對存儲電荷的影響

晶閘管在大注入條件下，換相后通過晶閘管的反向電流IR對關(guān)斷時間有影響。文獻[4]分析了該過程和影響因素。反向電流IR在晶閘管中流過，此段時間晶閘管的存儲電荷減少總值為 Qrr，Qrr是不等于恢復(fù)電荷積分值（圖 4中陰影區(qū)）QRR的，因為在恢復(fù)階段，載流子向基區(qū)的注入仍在繼續(xù)進行，所以 Qrr是 QRR中的一部分。反偏電壓越高時，恢復(fù)電荷越快被抽走，Qrr在QRR中的比例就越大。關(guān)斷過程開始時 N1區(qū)的存儲電荷Qn1（0）應(yīng)該是電流過0時刻的存儲電荷減去反向電流注入的電荷 Qrr，即：Qn1(0)=Qt0?Qrr。文獻[4]沒有給出 Qrr在 QRR中的比例與反偏電壓的關(guān)系式，無法給本文定量計算提供依據(jù)。當反偏電壓較低時，本文近似認為Qrr等于0。

2.3 晶閘管關(guān)斷時間的計算

突加脈沖電流是影響晶閘管關(guān)斷時間的主要外部因素，當反偏電壓較低，忽略 Qrr對恢復(fù)電荷的影響，忽略重加 dV/dt差異的影響，關(guān)斷時間公式修改為：

τp未知，由晶閘管出廠參數(shù)和測試條件，根據(jù)式（8）通過 matlab等軟件求出 τp，再將 τp和實驗所需的脈沖電流參數(shù)代入式（8），得到實驗條件下關(guān)斷時間計算值。

3 近似計算值與實驗對比

實驗采用圖2所示實驗電路，晶閘管F分別采用兩只北京東菱公司的kk1000 A/2500 V快速晶閘管為實驗對象。該型晶閘管提供的關(guān)斷時間出廠測試條件為：溫度 125℃，正向通流為峰值為1 kA、平均di/dt為20 A/μs正弦半波，再加斷態(tài)電壓 1.25 kV。在該條件下測定的關(guān)斷時間為19 μs和20 μs。該型晶閘管維持電流在125℃時為 400 mA。將上述參數(shù)代入式（8），用 matlab計算出 τp分別為 3.939 μs和 4.112 μs。

實驗溫度25℃，C為2 mF，C1為250 μF，L為40 μH，L1為5 μH。關(guān)斷峰值為2 kA的脈沖電流， tF為 240 μs左右，t0為 20 μs左右。根據(jù)實驗波形所得到的參數(shù)用式（8）計算出兩只晶閘管的關(guān)斷時間分別為25.97 μs和27.28 μs（在25℃條件下，該型晶閘管維持電流為500 mA）。兩只晶閘管在不同預(yù)關(guān)斷時間的狀態(tài)如表 1所示。

表1 關(guān)斷時間測試實驗結(jié)果

該實驗結(jié)果表明在該實驗條件下，兩只晶閘管的關(guān)斷時間為34 μs到35 μs之間。

4 小結(jié)

本文考慮到正向突加脈沖電流對關(guān)斷時間的影響，根據(jù)存儲電荷理論修改了傳統(tǒng)關(guān)斷時間公式，推導(dǎo)了晶閘管在突加大脈沖電流條件下關(guān)斷時間的解析計算式，并與實驗進行了對比，在此基礎(chǔ)上得到的主要結(jié)論有：

1） 如果只考慮正向脈沖電流對關(guān)斷時間的影響，可以通過廠家提供的關(guān)斷時間和測試條件用式（8）計算出不同正向脈沖電流條件下的關(guān)斷時間；

2） 根據(jù)本文的實驗值與計算值的對比，發(fā)現(xiàn)有一定差距，這是因為影響關(guān)斷時間的主要外部因素是正向脈沖電流，但還需考慮反偏電壓、重加 dV/dt和溫度等因素。下一步工作將研究反偏電壓與重加 dV/dt對關(guān)斷時間的影響，對其進行定量的分析，完善本文的關(guān)斷時間計算公式。

：

[1]王晨，莊勁武，張曉鋒等.新型混合式限流斷路器設(shè)計及其可靠性分析[J].電力系統(tǒng)自動化.2008，32(12)：61-67.

[2]王晨，莊勁武，張曉鋒等.混合型限流斷路器在高短路電流上升率時換流試驗分析[J].電力系統(tǒng)自動化.2009，33(16)：65-69.

[3]王晨，莊勁武，張曉鋒等.新型混合型限流斷路器分析及試驗[J].電力系統(tǒng)自動化.2010，34(15)：60-65.

[4]Taylor P D. 晶閘管的設(shè)計與制造[M].龐銀鎖譯.北京：中國鐵道出版社，1992.

[5]Assalit H B.Thyristor turn off time offs’[J].Process Industry Applications Society[J].1981，707-713.

[6]Fukui H，Natio M，Terasawa Y.One dimensional analysis of reverse recovery and dV/dt triggering characteristics for a thyristor[J]. IEEE Transactions on Electron Devices.1980，ED-27，596-602.

[7]S M Sze，Kwok K Ng.半導(dǎo)體器件物理[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2008：423-434.

[8]A Blicher. Thyristor Physics[M].New York：Springer，2010.