馬艷 馬成群 李陽

摘? 要：功率晶閘管具有反向恢復(fù)的特性，本文在分析其物理過程的基礎(chǔ)上，對影響關(guān)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(fù)保護提出了相應(yīng)的對策。

關(guān)鍵詞：功率晶閘管;恢復(fù)時間;影響因素;恢復(fù)保護;LTT換流閥

功率晶閘管具有可控性強、重復(fù)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(fù)的特性容易導致晶閘管在關(guān)斷的過程中出現(xiàn)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(fù)特性進行研究。

一、晶閘管反向恢復(fù)物理過程分析

晶閘管具有這低摻雜大注入的基區(qū)，在構(gòu)造方面分為三端四層。晶閘管從阻斷狀態(tài)變?yōu)閷顟B(tài)的過程中硅片每個區(qū)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(tài)變?yōu)樽钄酄顟B(tài)時經(jīng)過復(fù)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(fù)過程。

晶閘管由3個PN結(jié)構(gòu)成，當處于阻斷態(tài)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(jié)，但是通過[J3]結(jié)的電流不再受反偏[J2]結(jié)的限制，只需要在改變[J3]結(jié)的電壓就可以控制[J3]結(jié)的電流大小。當[Ig]增大時[J3]結(jié)的電流也會增大，引起了[N2]區(qū)向[P2]區(qū)注入大量的電子，已紛紛于空穴復(fù)合最終形成門極電流，另一部分電子在[P2]區(qū)通過擴散到了[J2]結(jié)被收集到了[N1]區(qū)，導致了[J2]結(jié)電子電流的增加。電子被收集到[N1]區(qū)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(guān)斷，假如在短時間內(nèi)加上正向電壓，晶閘管還是會導通。晶閘管關(guān)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(fù)控制能力需要的時間就是關(guān)斷時間[toff]。關(guān)斷時間為[toff=trr+tgr]，[trr]反向阻斷恢復(fù)時間、[tgr]為正向阻斷恢復(fù)時間。

二、影響關(guān)斷時間的因素

增加通流時間就會導致晶閘管結(jié)溫的升高，結(jié)溫增加也就意味著會延長基區(qū)載流子的壽命，導致恢復(fù)時間增加，增大的通流幅值會增加基區(qū)存儲的電荷總量，也會增加較長的恢復(fù)時間。因此我們可以總結(jié)通流時間越長，晶閘管的結(jié)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(jié)溫，[T0]為室溫，[Zj（t）]是晶閘管瞬態(tài)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(qū)聚集，這一區(qū)域?qū)εc晶閘管的關(guān)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(yīng)可以用公式來表示：i=[dQdt+Qτ]，[Q]為[N1]區(qū)的過剩電荷，[τ]為[N1]區(qū)過剩載流子壽命，i為流入[N1]區(qū)的電流。假如晶閘管的陽極和陰極的發(fā)射效率都是1，在關(guān)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(qū)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(qū)的過剩電荷量，[QF]為電流開始下降時基區(qū)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(jié)溫增加，導致基區(qū)的載流子難恢復(fù)，導致邊界復(fù)合效應(yīng)的載流子壽命延長，恢復(fù)時間增加。另外增加晶閘管通流幅值就增加載流子對基區(qū)的注入，晶閘管的恢復(fù)時間也增長。

三、LTT換流閥反向恢復(fù)保護策略

在反向恢復(fù)期晶閘管內(nèi)存留的恢復(fù)電荷載流子非?；钴S，我們利用公式[iq=Cjdudt]可以看出載流子的強度[iq]與晶閘管結(jié)電容[Cj]以及正向電壓變換率du/dt有關(guān)，[Cj]由晶閘管的制造工藝決定，可認為是常數(shù)。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(fā)而損壞。另外晶閘管關(guān)斷時載流子被大量消耗，晶閘管的反向阻斷能力開始恢復(fù)，反向電流迅速下降。由于反向電流峰值高，關(guān)斷時間短，在恢復(fù)電流快速衰減時在相連電路中的電感會出現(xiàn)較大的電壓跳變，進而使得晶閘管的兩端也發(fā)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(shè)反向恢復(fù)期保護。

LTT換流閥反向向恢復(fù)期保護策略是設(shè)計了一塊被稱為RPU（recovery protection unit）反向恢復(fù)期保護的電子線路板和閥組件內(nèi)每個晶閘管閥段的沖擊均壓電容串聯(lián)，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(fù)保護單元。

LTT閥中RPU直接在線探測閥段（多個晶閘管串聯(lián)）在反向恢復(fù)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(chǎn)生激光保護脈沖，將該閥段整體保護觸發(fā)。其中RPU的保護觸發(fā)邏輯必須滿足以下兩個條件：第一是在晶閘管關(guān)斷過程中，1.3ms的反向恢復(fù)期保護窗口打開。第二是在在保護窗口內(nèi)每個晶閘管兩端的di/dt>100V/μs。

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