劉隆晨, 張 康, 喻悅簫, 龐 磊, 賈志杰

(1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院, 四川 成都 610000; 2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院, 陜西 西安 710049)

1 引言

在各類(lèi)半導(dǎo)體元器件中,由于晶閘管發(fā)展較早,具備良好的通流能力、耐受高壓能力以及長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性,因而被廣泛應(yīng)用于直流輸電系統(tǒng)中,作為換流閥的核心元件發(fā)揮整流或逆變的關(guān)鍵作用[1-3]。然而,大量運(yùn)行案例以及研究表明,換流閥晶閘管在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生老化現(xiàn)象,伴隨著漏電流、反向恢復(fù)電流等特性參數(shù)的退化[4-6],甚至出現(xiàn)部分晶閘管在其設(shè)計(jì)運(yùn)行年限內(nèi)發(fā)生老化失效,造成嚴(yán)重后果[7]。

運(yùn)行中的晶閘管主要承受電壓應(yīng)力和自身?yè)p耗產(chǎn)生的溫度應(yīng)力作用[8,9],國(guó)際上一些公司和科研工作者針對(duì)電熱應(yīng)力下晶閘管特性參數(shù)退化開(kāi)展了研究[10-15],日本電力公司測(cè)量了運(yùn)行超過(guò)16年的換流閥晶閘管各項(xiàng)參數(shù),發(fā)現(xiàn)阻斷特性和反向恢復(fù)特性發(fā)生了不同程度退化[12],國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)葛洲壩換流站換流閥晶閘管進(jìn)行抽樣檢查,發(fā)現(xiàn)80%晶閘管的反向耐壓能力降低,并且漏電流分散性顯著增加[11]。這些研究集中于實(shí)際工程中服役數(shù)年甚至數(shù)十年的換流閥晶閘管老化特征研究,不足之處在于研究?jī)H能得到一個(gè)定性的結(jié)論,關(guān)于晶閘管退化過(guò)程中特性參數(shù)的變化則存在著未知性[16,17]。

另有研究人員希望對(duì)晶閘管的老化現(xiàn)象進(jìn)行更加深入的研究,在實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)展了大量的晶閘管加速老化試驗(yàn)。文獻(xiàn)[13]搭建了晶閘管電應(yīng)力和熱應(yīng)力老化試驗(yàn)平臺(tái)以及各項(xiàng)特征參數(shù)測(cè)量平臺(tái),從而對(duì)一批換流閥晶閘管開(kāi)展了單一電或熱應(yīng)力的加速老化試驗(yàn),并在老化過(guò)程中對(duì)特性參數(shù)進(jìn)行離線(xiàn)測(cè)量,得到它們大致的退化趨勢(shì)。但研究中并沒(méi)有控制晶閘管的結(jié)溫穩(wěn)定,晶閘管長(zhǎng)期處于阻斷或者導(dǎo)通的過(guò)程,導(dǎo)致試驗(yàn)環(huán)境嚴(yán)重偏離換流閥晶閘管的實(shí)際運(yùn)行工況,試驗(yàn)結(jié)果無(wú)法反映多應(yīng)力之間可能存在的耦合關(guān)系,并且在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)每只晶閘管每項(xiàng)特性參數(shù)僅獲得不超過(guò)10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),難以反映完整的特性參數(shù)的退化過(guò)程。

由此可見(jiàn),進(jìn)行晶閘管老化研究的關(guān)鍵在于試驗(yàn)平臺(tái)的搭建,因此,本文研制了一套更為完整先進(jìn)的模擬換流閥實(shí)際運(yùn)行工況的高壓大功率晶閘管電熱聯(lián)合老化系統(tǒng),其能夠模擬換流閥晶閘管運(yùn)行時(shí)所承受的電壓和溫度應(yīng)力,能夠維持長(zhǎng)期運(yùn)行晶閘管結(jié)溫的穩(wěn)定,并且具有對(duì)晶閘管老化過(guò)程中的特性參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和存儲(chǔ)的功能,在實(shí)際運(yùn)行中驗(yàn)證了該系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性,并對(duì)試驗(yàn)波形進(jìn)行分析,為深入研究換流閥晶閘管的老化過(guò)程打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 晶閘管電熱聯(lián)合老化試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

直流輸電用來(lái)進(jìn)行換流的主要為6脈動(dòng)換流器(12脈動(dòng)換流器由兩個(gè)6脈動(dòng)換流器串聯(lián)而成)。在理想條件下,6脈動(dòng)整流器每個(gè)晶閘管上的反向電壓-電流波形如圖1所示[1],可以看出,晶閘管在每個(gè)周期內(nèi)均會(huì)經(jīng)歷開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程,在開(kāi)通過(guò)程中會(huì)流過(guò)較大的通態(tài)電流,大電流作用下晶閘管因自身?yè)p耗而產(chǎn)生大量熱量,導(dǎo)致結(jié)溫升高,而在關(guān)斷過(guò)程中晶閘管承受較高的反向電壓應(yīng)力,電壓波形近似于正弦半波,在電應(yīng)力和熱應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下,晶閘管的特性參數(shù)發(fā)生退化甚至失效。因此開(kāi)展模擬換流閥運(yùn)行工況的高壓大功率晶閘管電熱聯(lián)合老化試驗(yàn),首先是要搭建試驗(yàn)系統(tǒng),模擬實(shí)際工況中晶閘管的電壓應(yīng)力和溫度應(yīng)力。

圖1 換流閥晶閘管電壓、電流波形圖Fig.1 Thyristor voltage and current waveform of converter valve

以往的晶閘管老化試驗(yàn)研究中,電壓應(yīng)力多采用直流電壓源或電容充放電的施加形式,但前者無(wú)法快速準(zhǔn)確控制電壓的施加時(shí)機(jī),難以與大電流形成配合,后者則受電容容量、容值以及充電時(shí)間等限制;溫度應(yīng)力多采用大功率直流電源[18,19]或者烘箱[20]等外界高溫對(duì)晶閘管進(jìn)行熱傳遞,但前者面臨試驗(yàn)成本過(guò)高,并且難以與高電壓形成配合的問(wèn)題,后者由于熱源不同,試驗(yàn)工況嚴(yán)重偏離換流閥晶閘管的實(shí)際運(yùn)行工況,在很大程度上影響晶閘管內(nèi)部的電流分布、載流子分布、熱量分布以及缺陷的形成和發(fā)展過(guò)程等,從而完全改變晶閘管的特征參數(shù)退化規(guī)律以及失效機(jī)理,降低結(jié)論的準(zhǔn)確性與說(shuō)服力[18]。因此本系統(tǒng)電壓與電流均考慮采用市電轉(zhuǎn)換而成,以市電正反向過(guò)零點(diǎn)為分界分別在試驗(yàn)晶閘管上產(chǎn)生半個(gè)周期的電壓和電流,由此解決高壓與大電流的時(shí)序配合問(wèn)題,試驗(yàn)工況與換流閥晶閘管的運(yùn)行工況保持一致,同時(shí)大大降低了試驗(yàn)成本。

根據(jù)換流閥晶閘管的實(shí)際運(yùn)行工況及研究需要,試驗(yàn)系統(tǒng)的建立需同時(shí)滿(mǎn)足以下幾個(gè)基本需求:

(1)試驗(yàn)晶閘管上應(yīng)同時(shí)承受電壓和溫度應(yīng)力的作用,并且溫度應(yīng)力來(lái)源為電流流經(jīng)晶閘管所產(chǎn)生的損耗。

(2)平臺(tái)能夠分別模擬整流閥和逆變閥晶閘管的運(yùn)行工況,便于研究深入開(kāi)展。

(3)平臺(tái)施加電壓部分電路和施加電流部分電路不會(huì)產(chǎn)生相互影響,保證運(yùn)行安全性與穩(wěn)定性。

(4)除試驗(yàn)晶閘管外其余電路元件應(yīng)留有較大的安全裕量,保證試驗(yàn)平臺(tái)能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

(5)試驗(yàn)晶閘管的電壓和溫度應(yīng)力大小應(yīng)能夠獨(dú)立調(diào)節(jié),用以研究不同應(yīng)力條件對(duì)晶閘管老化特性的影響。

在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了模擬換流閥運(yùn)行工況的高壓大功率晶閘管電熱聯(lián)合老化試驗(yàn)系統(tǒng),包括主電路、驅(qū)動(dòng)和觸發(fā)電路、結(jié)溫控制系統(tǒng)以及晶閘管特性參數(shù)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.1 主電路設(shè)計(jì)與搭建

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,電壓和電流均通過(guò)市電進(jìn)行變壓和整流產(chǎn)生,并通過(guò)絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)輔助電路完成電路狀態(tài)的轉(zhuǎn)換,主電路的設(shè)計(jì)如圖2所示,主要包括以下幾個(gè)部分:

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)主電路Fig.2 Test system main circuit

(1)低壓整流側(cè):對(duì)市電進(jìn)行降壓、整流,用于在晶閘管導(dǎo)通過(guò)程中產(chǎn)生通態(tài)大電流。

(2)高壓整流側(cè):對(duì)市電進(jìn)行升壓、整流,用于在晶閘管截止時(shí)產(chǎn)生電壓應(yīng)力。

(3)控制部分:通過(guò)控制IGBT和晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷來(lái)對(duì)整個(gè)電路狀態(tài)的切換。

(4)測(cè)量部分:試驗(yàn)晶閘管特性參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量。

電路運(yùn)行原理如下:

在工頻的后1/2周期,驅(qū)動(dòng)電路首先控制IGBT K1和K2截止,高壓整流側(cè)對(duì)市電進(jìn)行升壓整流并輸出正弦半波高電壓,該電壓作用于控制部分電阻Rm,形成的電流小于晶閘管的維持電流,從而回路中的所有晶閘管均進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài),而由于測(cè)量部分的等效絕緣電阻遠(yuǎn)小于試驗(yàn)晶閘管T的反向等效絕緣電阻,因此高壓整流側(cè)輸出電壓幾乎全部作用于試驗(yàn)晶閘管T。電壓峰值大小隨調(diào)壓器Tt2的輸出電壓改變而改變。

為使電路運(yùn)行的兩個(gè)階段完全隔離開(kāi)來(lái),采用了隔離電阻Rh2和Rl2。其中Rh2作用為在電壓應(yīng)力階段減小低壓整流側(cè)的分壓,因此其阻值應(yīng)遠(yuǎn)小于控制部分的等效電阻,從而達(dá)到保護(hù)變壓器和調(diào)壓器的效果,同時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)大于Rp1和Rp2的阻值,避免在熱應(yīng)力階段分得電流過(guò)大;Rl2作用為熱應(yīng)力階段使變壓器Tb2輸出電壓完全作用于高壓二極管VDh1,Rl2同時(shí)在高壓階段承受較高電壓,因此其耐壓、阻值和功率大小首先應(yīng)滿(mǎn)足整流要求,其次應(yīng)遠(yuǎn)小于二極管VDh1的反向等效絕緣電阻。

整流閥和逆變閥具有截然不同的運(yùn)行工況,整流閥晶閘管主要承受反向電壓應(yīng)力,而逆變閥主要承受正向電壓應(yīng)力,根據(jù)以往研究,不同方向應(yīng)力下的晶閘管表現(xiàn)出不同的特征參數(shù)退化規(guī)律[11]。因此試驗(yàn)中兩種運(yùn)行工況需要分別進(jìn)行討論。圖2所展示電路為模擬整流側(cè)換流閥晶閘管運(yùn)行工況的電熱聯(lián)合老化電路,除此之外,只需將控制部分晶閘管及其并聯(lián)電阻與試驗(yàn)晶閘管和測(cè)量部分調(diào)換即可實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變側(cè)晶閘管進(jìn)行老化試驗(yàn),兩者原理相同,如圖3所示。

圖3 模擬逆變側(cè)晶閘管老化電路Fig.3 Analog inverter side thyristor aging circuit

2.2 控制電路設(shè)計(jì)

為保證整個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)的正常穩(wěn)定運(yùn)行,需要對(duì)晶閘管的觸發(fā)和IGBT的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行嚴(yán)格的時(shí)序控制,即要求IGBT和晶閘管在市電的正向過(guò)零點(diǎn)導(dǎo)通,在市電的負(fù)向過(guò)零點(diǎn)關(guān)斷。

IGBT驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示,將市電經(jīng)過(guò)降壓變壓器作為電壓比較器的輸入,當(dāng)輸入電壓大于零時(shí),三極管導(dǎo)通,輸出+20 V或-9 V電壓,而當(dāng)輸入電壓小于零時(shí),三極管均截止,驅(qū)動(dòng)無(wú)輸出。在市電的每個(gè)周期取電壓信號(hào)進(jìn)行比較,實(shí)現(xiàn)了IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)的嚴(yán)格時(shí)序控制,避免在多個(gè)周期以后發(fā)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位偏移的問(wèn)題。

圖4 IGBT驅(qū)動(dòng)電路Fig.4 IGBT drive circuit

晶閘管的控制電路如圖5所示,調(diào)節(jié)移相觸發(fā)器的信號(hào)輸入,使其能夠在晶閘管電壓正向過(guò)零點(diǎn)精確輸出觸發(fā)信號(hào),而晶閘管的關(guān)斷則需要在IGBT關(guān)斷后,控制部分電路電壓幾乎全部作用于電阻RK,產(chǎn)生的電流小于晶閘管的維持電流從而使得晶閘管關(guān)斷。

圖5 晶閘管觸發(fā)與關(guān)斷電路Fig.5 Thyristor trigger and shut circuit

2.3 晶閘管結(jié)溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

晶閘管漏電流增長(zhǎng)和結(jié)溫升高之間存在著強(qiáng)烈的正反饋?zhàn)饔?這會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)晶閘管迅速失效[21]。然而,換流閥在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中采取了水冷散熱的措施,保持晶閘管結(jié)溫在合理的溫度范圍內(nèi)小幅波動(dòng),換流閥冷卻水的溫度是冷卻系統(tǒng)最主要運(yùn)行參數(shù)之一,冷卻水溫度過(guò)高將引起換流閥晶閘管結(jié)溫過(guò)高,損壞換流閥或縮短換流閥運(yùn)行壽命;而冷卻水溫度過(guò)低將引起換流閥連接接頭處密封條件效果變差,影響換流閥穩(wěn)定運(yùn)行。因此為了確保換流閥溫度處于合理范圍內(nèi),對(duì)換流閥配置了冷卻水溫度監(jiān)控裝置,冷卻水溫度高報(bào)警,冷卻水溫度超高報(bào)警,冷卻水溫度超高跳閘,冷卻水溫度低報(bào)警等。

閥冷系統(tǒng)通過(guò)冷卻風(fēng)機(jī)的啟停進(jìn)行控制,當(dāng)運(yùn)行人員接到報(bào)警后,將迅速采取應(yīng)急措施控制冷卻水溫度上升或下降,并及時(shí)對(duì)受損傷的冷卻塔維修,從而使得換流閥晶閘管溫度長(zhǎng)期保持基本穩(wěn)定,大大延長(zhǎng)了晶閘管的使用壽命[22-24]。因此,為了更加貼近換流閥晶閘管實(shí)際運(yùn)行狀態(tài),需要對(duì)晶閘管的結(jié)溫進(jìn)行控制,將其穩(wěn)定在試驗(yàn)所需溫度范圍內(nèi)。基于此,設(shè)計(jì)了晶閘管結(jié)溫控制系統(tǒng),采用了負(fù)反饋調(diào)節(jié),電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 晶閘管結(jié)溫控制系統(tǒng)Fig.6 Thyristor junction temperature control system

在本系統(tǒng)中,S為市電電源,RN為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻,用于采集試驗(yàn)晶閘管T的殼溫并以電阻變化形式反映出來(lái),RS為滑動(dòng)變阻器,用于調(diào)整晶閘管達(dá)到熱平衡后的結(jié)溫。當(dāng)試驗(yàn)晶閘管T殼溫上升,熱敏電阻RN阻值下降,RS的分壓上升,移相觸發(fā)器控制端的輸入信號(hào)電壓上升,由此導(dǎo)致移相觸發(fā)器的觸發(fā)角變化,晶閘管T1和T2的導(dǎo)通角變化,并最終反映在散熱器M的運(yùn)行功率增加,散熱能力上升,晶閘管T的殼溫下降。

本系統(tǒng)需要對(duì)晶閘管結(jié)溫變化反應(yīng)足夠靈敏,因此首先應(yīng)采用B值(熱敏電阻器材料常數(shù))較大的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻,當(dāng)晶閘管結(jié)溫發(fā)生變化時(shí),RN的阻值變化更明顯,其次散熱器M應(yīng)針對(duì)晶閘管不同的散熱結(jié)構(gòu)采用不同的散熱形式,當(dāng)晶閘管為水冷散熱時(shí)可采用水循環(huán)流速控制裝置,風(fēng)冷散熱時(shí)則采用轉(zhuǎn)速可調(diào)散熱風(fēng)扇,保證晶閘管芯片所產(chǎn)生的多余熱量能夠得到及時(shí)消散。

實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的換流閥晶閘管一般處于室外環(huán)境下,在運(yùn)行過(guò)程中由于一天內(nèi)的氣溫波動(dòng)或者一年中各個(gè)季節(jié)的不同導(dǎo)致晶閘管結(jié)溫發(fā)生小幅波動(dòng)。所設(shè)計(jì)老化系統(tǒng)中的試驗(yàn)晶閘管與實(shí)際運(yùn)行中的換流閥晶閘管同處在室外的環(huán)境中,其結(jié)溫會(huì)受白天與夜間、夏天與冬天等不同時(shí)間或氣候下溫度波動(dòng)的影響。在較高的應(yīng)力下,晶閘管老化速度較快,結(jié)溫主要受一天內(nèi)時(shí)間不同所帶來(lái)的溫度波動(dòng),此時(shí)晶閘管的結(jié)溫應(yīng)按照一天內(nèi)的平均溫度計(jì)算,而在較低應(yīng)力下,晶閘管老化時(shí)間會(huì)大大延長(zhǎng),此時(shí)晶閘管結(jié)溫主要受不同季節(jié)的氣溫影響,在這種情況下應(yīng)按照一年中的平均氣溫計(jì)算。

2.4 晶閘管特征參數(shù)測(cè)量平臺(tái)與測(cè)量方法

大量研究和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,換流閥晶閘管長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中,其特征參數(shù)主要包括漏電流、反向恢復(fù)電流峰值等會(huì)呈現(xiàn)出不同的退化趨勢(shì),在以往的研究中,多采用離線(xiàn)測(cè)量晶閘管的特性參數(shù),難以捕獲晶閘管失效瞬間特性參數(shù)的突變情況,從而對(duì)研究分析造成較大影響,因此有必要搭建特性參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置,獲得其動(dòng)態(tài)退化規(guī)律,為后續(xù)研究建立基礎(chǔ)。

進(jìn)行特征參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的核心在于監(jiān)測(cè)電阻Rm的電壓,其原理如下:Tm和Rm對(duì)應(yīng)主電路中的測(cè)量部分,Tm為超快恢復(fù)晶閘管,其反向恢復(fù)時(shí)間遠(yuǎn)小于試驗(yàn)晶閘管T。在工頻的前1/2周期晶閘管Tm和T同時(shí)導(dǎo)通時(shí),電流流經(jīng)兩個(gè)晶閘管,而在工頻的后半周期,由于晶閘管Tm先于試驗(yàn)晶閘管恢復(fù)阻斷能力,而Rm的阻值遠(yuǎn)小于Tm的反向等效絕緣電阻,因此試驗(yàn)晶閘管T的反向恢復(fù)電流和漏電流均流過(guò)電阻Rm。

示波器測(cè)得電阻Rm的電壓波形如圖7所示,電流波形表現(xiàn)出兩個(gè)峰值,其中第一個(gè)峰值代表試驗(yàn)晶閘管阻斷能力未完全恢復(fù)所產(chǎn)生的電流,即反向恢復(fù)電流,而第二個(gè)峰值代表晶閘管的漏電流。

圖7 Rm電壓試驗(yàn)波形Fig.7 Voltage waveform of Rm

晶閘管特性參數(shù)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置如圖8所示,使用數(shù)據(jù)采集器實(shí)時(shí)采集試驗(yàn)晶閘管T以及測(cè)量電阻Rm上的電壓并存儲(chǔ)于上位機(jī),在所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)中,電阻Rm的第一個(gè)電壓峰值對(duì)應(yīng)晶閘管反向恢復(fù)電流峰值,試驗(yàn)晶閘管電壓峰值對(duì)應(yīng)的Rm電壓為漏電流。對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理即可得到晶閘管的反向恢復(fù)特性與漏電流的退化規(guī)律。

圖8 晶閘管特征參數(shù)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置Fig.8 Thyristor characteristic parameters on-line monitoring device

3 電路搭建及試驗(yàn)驗(yàn)證

(1)

PRp>117.5Rp

(2)

UVDh=UT1=2UTd=2URd>8 kV

(3)

升壓變壓器Tb2輸出電流為晶閘管漏電流,運(yùn)行過(guò)程中晶閘管漏電流最大值為250 mA,因此Tt2與Tb2功率應(yīng)滿(mǎn)足下式:

(4)

式中,PTb2為升壓變壓器Tb2額定功率;PTt2為調(diào)壓器Tt2額定功率。

降壓變壓器及調(diào)壓器的功率由電路中發(fā)熱元件的發(fā)熱功率決定,假定功率半導(dǎo)體元件的通態(tài)壓降均為1.5 V,則:

(5)

式中,PTb1為降壓變壓器Tb1額定功率;PTt1為調(diào)壓器Tt1額定功率。

根據(jù)上述分析,在對(duì)各元件參數(shù)留有一定裕量保證平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定性條件下,確定元件參數(shù)見(jiàn)表1,其中,PTt1、PTt2、PTb1、PTb2分別為調(diào)壓器Tt1、Tt2、變壓器Tb1、Tb2額定容量。

表1 元器件參數(shù)Tab.1 Component parameters

根據(jù)試驗(yàn)要求搭建試驗(yàn)平臺(tái)如圖9所示,實(shí)物圖中各部分分別為:①低壓整流部分;②控制部分;③測(cè)量部分;④試驗(yàn)晶閘管;⑤高壓整流部分;⑥數(shù)據(jù)采集器與上位機(jī);⑦結(jié)溫控制系統(tǒng)。

圖9 老化系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.9 Physical image of aging system

其中市電電壓uS與IGBT驅(qū)動(dòng)電壓uI-trigger、晶閘管觸發(fā)電壓uT-trigger以及試驗(yàn)晶閘管電壓uT和電流iT波形如圖10所示,可以看出在市電的正向過(guò)零點(diǎn)IGBT驅(qū)動(dòng)電壓為20 V,同時(shí)晶閘管輸出觸發(fā)信號(hào),回路處于導(dǎo)通狀態(tài),此時(shí)低壓整流側(cè)輸出幅值為60 A的正向正弦半波電流;在市電的負(fù)向過(guò)零點(diǎn),IGBT驅(qū)動(dòng)輸出電壓為9 V,此時(shí)試驗(yàn)晶閘管處于截止?fàn)顟B(tài)并承受幅值為8 kV的反向電壓,試驗(yàn)結(jié)果表明所搭建的試驗(yàn)平臺(tái)能夠正常運(yùn)行。

圖10 電路狀態(tài)時(shí)序試驗(yàn)波形圖Fig.10 Circuit state timing test waveform

驗(yàn)證晶閘管結(jié)溫控制系統(tǒng)的工作情況如圖11所示,縱坐標(biāo)為晶閘管結(jié)溫。可以看出,在無(wú)溫控時(shí),由于晶閘管結(jié)溫與晶閘管漏電流的相互促進(jìn)作用,晶閘管結(jié)溫短時(shí)間內(nèi)迅速上升。而經(jīng)過(guò)溫控系統(tǒng)的負(fù)反饋調(diào)節(jié)作用,晶閘管的結(jié)溫能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定在試驗(yàn)所需的溫度。

圖11 晶閘管結(jié)溫變化對(duì)比Fig.11 Comparison of thyristor junction temperature variations

換流閥用晶閘管是大功率超長(zhǎng)壽命半導(dǎo)體器件,為得到更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),需要對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的老化試驗(yàn),為驗(yàn)證所搭建系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性,選取型號(hào)為KP03XY8500高壓大功率晶閘管進(jìn)行長(zhǎng)期老化試驗(yàn),設(shè)定晶閘管的老化電壓應(yīng)力為6 kV,結(jié)溫為120 ℃。當(dāng)試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)達(dá)到380 h晶閘管發(fā)生反向阻斷失效,由特性參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置測(cè)量得到晶閘管反向漏電流(Id)及反向恢復(fù)電流峰值(Irm)退化規(guī)律如圖12所示。

圖12 試驗(yàn)晶閘管特性參數(shù)退化規(guī)律Fig.12 Test of degradation law of thyristor characteristic parameters

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,所搭建模擬換流閥運(yùn)行工況的高壓大功率晶閘管電熱聯(lián)合老化試驗(yàn)平臺(tái)各部分均能夠正常穩(wěn)定運(yùn)行,能夠滿(mǎn)足試驗(yàn)所需的高壓和大電流需求,為開(kāi)展老化試驗(yàn)筑牢了基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

研制的大功率晶閘管電熱聯(lián)合老化試驗(yàn)系統(tǒng),能夠模擬換流閥的實(shí)際運(yùn)行工況對(duì)晶閘管開(kāi)展老化試驗(yàn),系統(tǒng)具有低成本、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、試驗(yàn)電壓溫度可調(diào)等多方面的顯著優(yōu)點(diǎn),彌補(bǔ)了相關(guān)領(lǐng)域缺乏基礎(chǔ)試驗(yàn)裝置的空白。設(shè)計(jì)了溫控系統(tǒng),利用負(fù)反饋調(diào)節(jié)根據(jù)晶閘管的結(jié)溫變化改變散熱器的散熱功率,將晶閘管結(jié)溫穩(wěn)定在試驗(yàn)所需的范圍內(nèi),使晶閘管老化環(huán)境更加貼近實(shí)際運(yùn)行工況;同時(shí)設(shè)計(jì)了特征參數(shù)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置,監(jiān)測(cè)的參數(shù)包括晶閘管漏電流及反向恢復(fù)電流峰值,將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于上位機(jī)中,可以方便地進(jìn)行讀取和處理,以實(shí)現(xiàn)老化過(guò)程中對(duì)特征參數(shù)退化規(guī)律的掌握,最后對(duì)所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行實(shí)物搭建,驗(yàn)證了系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)及運(yùn)行穩(wěn)定性,滿(mǎn)足試驗(yàn)需求。