岳珂，龐磊，陳炫宇，葉明天，張喬根，陶風(fēng)波

(1. 國網(wǎng)陜西省電力公司西安供電公司，陜西 西安710032；2. 電氣設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西安交通大學(xué))，陜西 西安710049；3. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京211103)

晶閘管是直流輸電換流閥中的關(guān)鍵元件[1]，在其關(guān)斷過程中，由于基區(qū)過剩的載流子無法立即消失，需要經(jīng)歷反向恢復(fù)過程，緩慢釋放殘留電荷[2-3]。換流閥的工作環(huán)境十分復(fù)雜，如換流失敗、雷電沖擊、交流網(wǎng)壓擾動(dòng)等時(shí)有發(fā)生，因而在晶閘管兩端產(chǎn)生正向過電壓[4]。在反向恢復(fù)過程中，晶閘管極易遭受電壓脈沖的沖擊[5-8]，對器件造成不良影響。作為半導(dǎo)體器件，晶閘管是一種相對脆弱的電氣元件，在反向恢復(fù)過程中，脈沖電壓的沖擊成為換相失敗和晶閘管失效的主要原因之一，受到研究人員的高度重視[9-11]。因此，研究反向恢復(fù)期內(nèi)脈沖電壓對晶閘管反向恢復(fù)性能退化特性的影響，對指導(dǎo)高壓晶閘管的保護(hù)設(shè)計(jì)，保證設(shè)備的可靠運(yùn)行具有重要意義。

作為換流閥的關(guān)鍵器件，晶閘管的可靠性在很大程度上影響著電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。隨著國內(nèi)外直流輸電工程投運(yùn)年限的增加，因晶閘管反向恢復(fù)性能退化所導(dǎo)致的各種故障逐漸顯現(xiàn)，目前已有一些文獻(xiàn)對晶閘管性能退化進(jìn)行了研究，但多數(shù)關(guān)注于器件退化對直流系統(tǒng)造成的影響。例如，晶閘管反向恢復(fù)電荷的變化引起串聯(lián)晶閘管電壓分布不均，這是導(dǎo)致?lián)Q流閥晶閘管被擊穿的主要原因[12]；通過研究直流工程中運(yùn)行多年的晶閘管，發(fā)現(xiàn)高壓晶閘管存在系統(tǒng)性退化[13-14]；換流閥處于長期運(yùn)行中，其中的晶閘管器件難免遭受各種過電壓沖擊，多次脈沖電壓作用使得晶閘管累積疲勞，對器件的性能造成不可逆的影響[15-16]，進(jìn)而影響直流輸電線路的穩(wěn)定運(yùn)行。但是，這些研究主要基于一些經(jīng)驗(yàn)判斷，沒有理論模型的支撐，并且未對晶閘管特性改變的原因進(jìn)行深入討論。目前對晶閘管在反向恢復(fù)期內(nèi)遭受脈沖電壓沖擊造成的性能退化方面的研究十分匱乏，退化規(guī)律和退化機(jī)制尚不明確。

對此，本文搭建脈沖電壓下晶閘管反向恢復(fù)性能退化特性的實(shí)驗(yàn)平臺，研究脈沖峰值電壓、脈沖電壓上升率和脈沖施加時(shí)刻等參數(shù)對反向恢復(fù)電流的影響，對高壓晶閘管的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行闡述，并討論晶閘管反向恢復(fù)性能退化的機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用工頻正弦電流作為晶閘管通態(tài)電流。 在反向恢復(fù)過程中，自晶閘管電壓負(fù)向過零時(shí)刻開始計(jì)時(shí)，延遲一定時(shí)間后，向晶閘管陽極施加正向脈沖電壓，模擬反向恢復(fù)期暫態(tài)脈沖。通過測量晶閘管的電流和電壓波形，研究脈沖電壓對晶閘管反向恢復(fù)性能參數(shù)的影響規(guī)律。

在反向恢復(fù)期內(nèi)，向晶閘管陽極施加脈沖電壓，如圖1所示。圖1中：曲線i和u分別代表晶閘管的電流和電壓波形，t1為電流過零換向時(shí)刻，t2為反向電流達(dá)到最大值(即反向恢復(fù)電流峰值Irm)的時(shí)刻，t3為電流衰減至反向漏電流的時(shí)刻。反向恢復(fù)電流從零增大到Irm所用的時(shí)間稱為存儲時(shí)間，記作ts；從Irm衰減到電流接近于零所用的時(shí)間稱為下降時(shí)間，記作tf；ts與tf之和稱為反向恢復(fù)時(shí)間，記作trr；tf/ts稱為恢復(fù)軟度[17]。根據(jù)以上定義，有ts=t2-t1，tf=t3-t2且trr=t3-t1。從時(shí)刻t1到時(shí)刻t3，流過晶閘管器件的電荷總量稱為反向恢復(fù)電荷，記作Qrr。在實(shí)際應(yīng)用中，為了便于計(jì)算，用0.5trrIrm近似代替Qrr。由于實(shí)驗(yàn)不關(guān)注脈沖波尾對晶閘管恢復(fù)過程的影響，用脈沖上升沿du/dt表示脈沖電壓。關(guān)于晶閘管電壓開始反向的時(shí)刻與反向恢復(fù)電流達(dá)到Irm的時(shí)刻，理論上前者略早于后者；但是為了簡化模型，本研究中假定兩者同時(shí)發(fā)生，并用t2表示這個(gè)時(shí)刻。脈沖電壓施加時(shí)刻通常以t2作為參照點(diǎn)，并于時(shí)刻(t2+Δt)在晶閘管兩端施加一個(gè)正向脈沖，其中Δt為脈沖電壓延遲施加時(shí)間，又稱脈沖延時(shí)。

圖1 反向恢復(fù)期施加脈沖電壓示意圖Fig.1 Schematic of impulse voltage applied during reverse recovery

為了獲得圖1中晶閘管的波形，本研究設(shè)計(jì)如圖2所示的實(shí)驗(yàn)平臺，圖2中：DC1和DC2均為高壓直流電源，VT為輔助晶閘管，D為續(xù)流二極管，S為分流器，R1—R4為電阻，C1—C4為電容，L為電感。該平臺的實(shí)驗(yàn)電路包括工頻電流模塊、沖擊電源模塊以及單片機(jī)延時(shí)控制系統(tǒng)。 晶閘管試品DUT介于2個(gè)模塊之間，工頻電源模塊向DUT提供正向?qū)娏?，沖擊電源模塊向DUT提供正向脈沖電壓； 單片機(jī)延時(shí)控制系統(tǒng)用來向絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送開關(guān)信號指令，以便釋放脈沖電壓。 經(jīng)工頻電流模塊、沖擊電源模塊和單片機(jī)延時(shí)控制系統(tǒng)之間的相互配合，可實(shí)現(xiàn)反向恢復(fù)期內(nèi)向晶閘管施加脈沖電壓的功能。

實(shí)驗(yàn)使用P6015A型泰克高壓探頭和自制分流器，分別測量電壓和電流，并使用DPO4104型泰克數(shù)字示波器記錄波形。 實(shí)驗(yàn)試品DUT為壓接式高壓大功率晶閘管，結(jié)構(gòu)與實(shí)際工程中所用器件相同，因此研究結(jié)論具有一定的參考價(jià)值。實(shí)驗(yàn)試品DUT的具體參數(shù)包括：斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓1 800 V，反向不重復(fù)峰值電壓1 800 V，通態(tài)平均電流500 A，斷態(tài)電壓臨界上升率1 000 V/μs，關(guān)斷時(shí)間190 μs。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺Fig.2 Experiment platform

本實(shí)驗(yàn)研究了多次脈沖作用下晶閘管反向恢復(fù)性能的變化規(guī)律，關(guān)注實(shí)驗(yàn)次數(shù)、脈沖電壓波形和施加時(shí)刻等參數(shù)對反向恢復(fù)過程的影響；所有實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)過程中器件溫度未出現(xiàn)明顯上升，因此本實(shí)驗(yàn)不考慮溫度的影響。

2 多次脈沖作用下晶閘管反向恢復(fù)性能退化現(xiàn)象

由于半導(dǎo)體制造工藝的限制，不同的器件特性存在一定的差異， 同一器件經(jīng)過一段時(shí)間的使用，其原有特性也可能在一定程度上發(fā)生改變[13]。實(shí)驗(yàn)選取5只相同型號批次的晶閘管試品，記為N1—N5； 統(tǒng)一設(shè)定工頻電流幅值Ip=500 A，脈沖延時(shí)Δt=100 μs，沖擊次數(shù)N=2 500，脈沖電壓峰值Up=1.8 kV，脈沖電壓上升率du/dt=210 V/μs。 經(jīng)過一定次數(shù)的脈沖沖擊后，測量每只器件的反向恢復(fù)性能參數(shù)，并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

經(jīng)過2 500次脈沖電壓沖擊后，晶閘管試品的反向恢復(fù)電流隨時(shí)間變化的結(jié)果如圖3所示。5個(gè)試品的反向恢復(fù)電流波形基本重疊，與器件初始反向恢復(fù)波形進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)反向恢復(fù)性能均發(fā)生明顯改變，即晶閘管的反向恢復(fù)性能退化。在器件未損壞的前提下，反向恢復(fù)時(shí)間和反向恢復(fù)電荷均變小，表明脈沖電壓對晶閘管反向恢復(fù)性能有較大影響。

圖3 多次脈沖作用下晶閘管反向恢復(fù)性能變化Fig.3 Changes of reverse recovery performance of thyristor under repeated impulses

對于晶閘管來說，其反向恢復(fù)性能與通態(tài)電壓相關(guān)聯(lián)[1]，因此需要通過測量通態(tài)電壓來驗(yàn)證反向恢復(fù)性能退化的規(guī)律。表 1列出了2 500次重復(fù)脈沖試驗(yàn)前后，晶閘管試品通態(tài)電壓UTM的測量參數(shù)。 測試時(shí)門極觸發(fā)電流為200 mA，陽極電壓為12 V。由 表1可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過多次脈沖沖擊后，UTM略微增大， 與器件初始情況相比，UTM平均增加了3.9%。

表1 晶閘管通態(tài)電壓測量值Tab.1 Measured values of on-state voltage of thyristor

在大注入條件下，UTM由結(jié)電壓和基區(qū)電壓組成，表示為[18]

(1)

式中：k為玻爾茲曼常數(shù)；T為溫度；g為晶閘管N+區(qū)域中高摻雜區(qū)厚度；N20為晶閘管N+區(qū)域多數(shù)載流子濃度；D為載流子擴(kuò)散系數(shù)；μ為載流子遷移率；τ為載流子壽命；ni為本征載流子濃度；q為電子電荷常數(shù)；w為晶閘管基區(qū)厚度；Lc為載流子擴(kuò)散長度；I為電流密度。根據(jù)式(1)，UTM與w的平方成正比，與τ的平方根成反比。對于高壓大功率晶閘管，在大注入條件下，有w/Lc>1，UTM主要由基區(qū)電壓形成，此時(shí)τ對UTM有很大影響；trr和Qrr與UTM均成反比關(guān)系。換言之，隨著硅晶片中τ減少，trr和Qrr均減小，而UTM卻增加。

在熱平衡條件下，晶閘管中電子-空穴對的產(chǎn)生和復(fù)合保持平衡，在外部激勵(lì)的作用下，晶閘管中將出現(xiàn)過剩的非平衡載流子。這些非平衡載流子通過復(fù)合過程消失，其中電子和空穴的復(fù)合可能是從能帶到能帶，也可能是經(jīng)過雜質(zhì)能級或缺陷而復(fù)合。這種復(fù)合作用可以通過少數(shù)載流子的壽命來表征，在大注入情況下，少數(shù)載流子壽命[18]

(2)

式中：τp0、τn0分別為重?fù)诫s條件下P型、N型硅材料少數(shù)載流子的壽命；σp、σn分別為復(fù)合中心對空穴、電子俘獲截面積；vp、vn分別為空穴、電子的熱速度；Nt為復(fù)合中心密度。由此可見，τHL與復(fù)合中心密切相關(guān)。半導(dǎo)體中，一方面通過金屬摻雜，在硅能帶中引入深能級，形成缺陷中心，從而成為復(fù)合中心；另一方面通過高能粒子轟擊硅晶體，在晶體中產(chǎn)生空位和間隙，形成晶格損傷，從而成為復(fù)合中心。半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷具有促進(jìn)復(fù)合的作用，它們在能帶間隙中的導(dǎo)帶與價(jià)帶之間產(chǎn)生居中階梯，有利于載流子傳輸，對過剩非平衡載流子的壽命有很大影響。脈沖電壓可能加劇硅晶片中摻雜金屬的擴(kuò)散效應(yīng)，或使合金成分發(fā)生微小改變。金屬元素的遷移和擴(kuò)散將導(dǎo)致晶格缺陷增多，產(chǎn)生更多的復(fù)合中心。這樣一來，式(2)中的Nt將增大，從而導(dǎo)致τ縮短，晶閘管trr縮短，Qrr減少。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

以上分析表明，晶閘管的反向恢復(fù)性能參數(shù)在脈沖電壓的作用下改變較大。為了解決晶閘管器件暫態(tài)過程中電壓擾動(dòng)對其性能的影響等問題，本文進(jìn)一步研究脈沖峰值電壓、脈沖電壓上升率和脈沖施加時(shí)刻等參數(shù)對反向恢復(fù)性能退化特性的影響規(guī)律。

3.1 脈沖峰值電壓對反向恢復(fù)性能退化的影響

為了研究脈沖電壓對晶閘管反向恢復(fù)性能參數(shù)的變化規(guī)律，在晶閘管陽極電壓反向后，延遲100 μs施加脈沖電壓。選取若干具有代表性的脈沖峰值電壓，固定脈沖電壓上升率du/dt=100 V/μs。經(jīng)2 500次沖擊后，再次測量器件反向恢復(fù)性能參數(shù)。反向恢復(fù)存儲時(shí)間ts的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 脈沖峰值電壓對反向恢復(fù)存儲時(shí)間的影響Fig.4 Influence of Up on ts

由圖4可見，沖擊之前，ts=32.08 μs。反復(fù)沖擊后，ts值隨著Up的增加而緩慢減小。例如，對于Up=1.8 kV，反復(fù)沖擊后，ts=26.9 μs，減少了16.1%。

Up對trr的影響如圖5所示。由圖5可見，沖擊前trr=125.08 μs，經(jīng)反復(fù)沖擊后，trr值隨著Up的增加逐漸減小。例如，對于Up=1.8 kV，反復(fù)沖擊后，trr=95 μs，與沖擊前相比減少24%，明顯小于器件手冊提供的數(shù)據(jù)。在相同的外部電路條件下，ts僅與器件通態(tài)的存儲電荷量有關(guān)，當(dāng)器件遭受脈沖電壓反復(fù)沖擊后，ts縮短。該結(jié)果表明正向?qū)ㄟ^程中器件存儲的過剩載流子減少，載流子壽命縮短，載流子復(fù)合加劇，這也直接導(dǎo)致了trr降低。此外，由于tf/ts=(trr-ts)/ts，可以利用上面2個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，直接計(jì)算恢復(fù)軟度。例如，對于峰值為1.8 kV的脈沖電壓，tf/ts值將從2.9降低到2.5。由此可知，tf/ts值將在反復(fù)沖擊后變小，也即恢復(fù)軟度變硬；tf階段的反向恢復(fù)電流變化率增大，導(dǎo)致在反向恢復(fù)過程中出現(xiàn)更高的反向恢復(fù)電壓尖峰，從而串聯(lián)晶閘管的其他器件將承受更高的電壓應(yīng)力，加速器件老化。

圖5 脈沖峰值電壓對反向恢復(fù)時(shí)間的影響Fig.5 Influence of Up on trr

Up對Qrr的影響如圖6所示。由圖6可見，在沖擊前，Qrr=209.5 μC，反復(fù)沖擊后，Qrr值減小，且減小的幅度隨Up的增大而變小。例如，當(dāng)Up=1.8 kV時(shí)，在反復(fù)沖擊后，Qrr值降低32.6%。Qrr的減少是由晶閘管換向時(shí)刻基區(qū)存儲電荷量Q(t1)的降低所引起的，其中[7]

(3)

式中：K0為晶閘管中等效NPN晶體管的電流增益；ω即角頻率2πf。由式(3)可知，反向恢復(fù)電荷退化特性與器件內(nèi)部τ有直接關(guān)系。

圖6 脈沖峰值電壓對反向恢復(fù)電荷的影響Fig.6 Influence of Up on Qrr

3.2 脈沖電壓上升率對反向恢復(fù)性能退化的影響

ts、trr與du/dt及Up的關(guān)系分別如圖7和圖8所示。由2個(gè)圖可以看出：ts和trr均隨著du/dt的增大而減小，并且當(dāng)Up增大時(shí)，ts和trr的減小速度加快。當(dāng)Up超過1.42 kV之后，du/dt對ts和trr的影響進(jìn)一步提高。當(dāng)Up=1.80 kV且du/dt=210 V/μs時(shí)，ts和trr分別為24.3 μs和87.6 μs，與沖擊前相比，分別減小了24.2%和30%。此外，當(dāng)Up=1.02 kV且du/dt=121 V/μs時(shí)，trr≈106 μs；當(dāng)Up=1.42 kV且du/dt=95 V/μs時(shí)，trr≈106 μs。這表明低壓快脈沖與高壓慢脈沖對trr的影響差別不大。

圖7 不同脈沖峰值電壓下du/dt對存儲時(shí)間的影響Fig.7 Influence of du/dt on ts under different Up

圖8 不同脈沖峰值電壓下du/dt對反向恢復(fù)時(shí)間的影響Fig.8 Influence of du/dt on trr under different Up

Qrr與du/dt及Up的關(guān)系如圖9所示。圖9中，Qrr隨著du/dt的增大而減小；當(dāng)Up增大時(shí)，du/dt對Qrr的影響增大；當(dāng)du/dt=210 V/μs時(shí)，若Up的值為0.62 kV和1.80 kV，則Qrr分別為148 μC和109.5 μC，與沖擊前相比，分別減少了29.4%和47.7%。

圖9 不同脈沖峰值電壓下du/dt對反向恢復(fù)電荷的影響Fig.9 Influence of du/dt on Qrr under different Up

3.3 脈沖電壓施加時(shí)刻對反向恢復(fù)性能退化的影響

固定du/dt=100 V/μs，通過改變脈沖施加時(shí)刻t2+Δt，研究不同Up下，Δt對反向恢復(fù)性能參數(shù)的變化規(guī)律。Δt對ts、trr的影響分別如圖10和圖11所示。由2個(gè)圖可以發(fā)現(xiàn)：ts和trr均隨著Δt的減小而減??；換言之，沖擊越早，ts和trr越短，且隨著Δt的增大，ts和trr均呈現(xiàn)飽和趨勢。當(dāng)Δt超過110 μs時(shí)，Δt對ts和trr的影響不明顯。脈沖電壓峰值可以改變Δt對ts和trr的影響，高壓脈沖下Δt對兩者的影響更加明顯。固定脈沖延時(shí)Δt為80 μs，施加低壓脈沖時(shí)(Up=0.42 kV)，與沖擊前相比，ts和trr分別縮短8.7%和12.9%；施加高壓脈沖時(shí)(Up=1.42 kV)，ts和trr分別縮短23%和29.6%。

圖10 不同脈沖峰值電壓下Δt對存儲時(shí)間的影響Fig.10 Influence of Δt on ts under different Up

圖11 不同脈沖峰值電壓下Δt對反向恢復(fù)時(shí)間的影響Fig.11 Influence of Δt on trr under different Up

Δt對Qrr的影響如圖12所示。由圖12可見，隨著脈沖施加時(shí)間點(diǎn)的提前(即隨著Δt減小)，Qrr呈現(xiàn)減小趨勢；當(dāng)Δt足夠大時(shí)，Qrr呈現(xiàn)飽和狀態(tài)；此外，在施加高壓脈沖時(shí)，Δt對Qrr的影響增大。例如，當(dāng)Δt從120 μs縮短到80 μs時(shí)：若Up=0.42 kV，Qrr減少19.4%；若Up=1.42 kV，則Qrr減少42.7%。

圖12 不同脈沖峰值電壓下Δt對反向恢復(fù)電荷的影響Fig.12 Influence of Δt on Qrr under different Up

由上述實(shí)驗(yàn)可知，晶閘管反向恢復(fù)過程中遭受多次重復(fù)暫態(tài)脈沖電壓沖擊，將導(dǎo)致晶閘管反向恢復(fù)性能退化，具體表現(xiàn)為反向恢復(fù)性能參數(shù)發(fā)生改變。換流閥運(yùn)行時(shí)，晶閘管器件常常遭受脈沖電壓的沖擊，這種“軟損傷”將導(dǎo)致閥臂串聯(lián)晶閘管的協(xié)調(diào)性變差，具體表現(xiàn)為串聯(lián)晶閘管反向恢復(fù)性能的差異變大。一方面，串聯(lián)晶閘管電壓分布不均問題更加嚴(yán)重，在閥臂換向階段，先關(guān)斷的晶閘管將承擔(dān)更高的電壓，這將增大其負(fù)擔(dān)，加速器件老化，甚至造成器件發(fā)生不可逆的電擊穿，當(dāng)器件失效數(shù)量超過冗余設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)性失效的風(fēng)險(xiǎn)大大增加；另一方面，反向恢復(fù)時(shí)間改變將導(dǎo)致閥臂關(guān)斷過程中，晶閘管正向過零點(diǎn)的時(shí)刻出現(xiàn)差異，這可能引發(fā)換相失敗，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)安全運(yùn)行。

4 結(jié)論

本文通過對處于反向恢復(fù)暫態(tài)的晶閘管陽極施加脈沖電壓，研究暫態(tài)脈沖對晶閘管反向恢復(fù)性能的影響規(guī)律，重點(diǎn)關(guān)注脈沖峰值電壓、脈沖電壓上升率和脈沖施加時(shí)刻等參數(shù)對晶閘管反向恢復(fù)過程的影響，主要結(jié)論如下：

a)在反向恢復(fù)期多次脈沖的沖擊下，晶閘管反向恢復(fù)性能發(fā)生明顯改變，主要表現(xiàn)為反向恢復(fù)時(shí)間縮短，反向恢復(fù)電荷減少，恢復(fù)軟度降低；與此同時(shí)，晶閘管通態(tài)電壓略微增大。

b)當(dāng)脈沖電壓幅值越大、脈沖延時(shí)越短時(shí)，脈沖電壓對反向恢復(fù)性能的影響越大。低壓快脈沖與高壓慢脈沖對反向恢復(fù)性能的影響可能差別不大。

c)晶閘管反向恢復(fù)性能參數(shù)的變化與載流子壽命的改變有密切關(guān)系。反向恢復(fù)期內(nèi)多次重復(fù)脈沖電壓作用下，晶閘管內(nèi)部硅晶片中的晶格缺陷可能增多，從而產(chǎn)生更多的復(fù)合中心，使載流子復(fù)合率增加，載流子壽命縮短，進(jìn)而導(dǎo)致晶閘管反向恢復(fù)性能退化。