，，， ，， (.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 6004；.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 60065；.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 40074)

0 引 言

隨著高壓直流輸電、柔性交流輸電、高速鐵路、脈沖功率等技術(shù)的發(fā)展與推廣，IGBT、IGCT、GTO、晶閘管等功率半導(dǎo)體開關(guān)[1-8]一直是研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。其中晶閘管由于其通流能力大、耐壓水平高、使用壽命長、性能穩(wěn)定、控制相對簡單等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用和持續(xù)的改進(jìn)。

通態(tài)不重復(fù)浪涌電流ITSM(以下簡稱浪涌電流)作為表征晶閘管極限通流容量的參數(shù)，能夠反映該型號晶閘管承受故障電流的能力。一般的器件生產(chǎn)商僅提供工頻情況(10 ms脈寬)或者特定波形下的浪涌電流值，而晶閘管的浪涌電流能力和浪涌脈寬密切相關(guān)。隨著晶閘管應(yīng)用環(huán)境的改變，流過晶閘管的電流波形也不是固定不變的，僅用單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)來描述其浪涌電流能力，信息十分有限。尤其對應(yīng)用于變頻電源、脈沖功率等非工頻條件下的晶閘管，該指標(biāo)并不能有效評價(jià)晶閘管實(shí)際工況中能夠承受的浪涌電流能力。

為提高晶閘管實(shí)際應(yīng)用時(shí)的可靠性，需要對其在不同脈寬下的浪涌電流性能進(jìn)行研究，得出兩者的關(guān)系，以便為晶閘管的選型提供參考和依據(jù)。

1 晶閘管的原理與結(jié)構(gòu)

晶閘管是一種四層三端(A陽極、K陰極、G門極)的可控型半導(dǎo)體器件，共3個(gè)PN結(jié)。通常用雙晶體管等效模型來進(jìn)行分析，如圖1所示。

圖1 晶閘管芯片結(jié)構(gòu)與等效模型

功率晶閘管一般采用雙面冷卻的扁平圓盤形封裝，又被稱為冰球型封裝，如圖2所示。在此封裝中，芯片被固定在2個(gè)鉬層中間。因?yàn)閮烧吲蛎浵禂?shù)接近，能夠防止芯片被熱應(yīng)力破壞。而上下2個(gè)鉬片固定在兩個(gè)銅基座間。銅基座作為對外電極，并兼做散熱器。管殼內(nèi)充入略低于大氣壓的惰性氣體，用以防止內(nèi)部芯片被氧化[9]。

晶閘管在開斷的動態(tài)過程以及完全導(dǎo)通狀態(tài)下都存在著電壓降落，因此并不是理想開關(guān)。晶閘管工作時(shí)會伴隨功率損耗，生成焦耳熱，當(dāng)熱量超過晶閘管芯片的熱極限，就會損壞。一般認(rèn)為晶閘管的平均耐受結(jié)溫為125℃，超過這個(gè)溫度晶閘管將因熱損壞而失效[10]。所以浪涌電流實(shí)際反映的是晶閘管的暫態(tài)熱極限，并且和浪涌電流的脈寬相關(guān)聯(lián)[11]。

圖2 冰球型封裝晶閘管剖面圖

2 試驗(yàn)平臺的搭建

設(shè)計(jì)所使用的浪涌電流測試平臺如圖3所示。為避免晶閘管在進(jìn)行浪涌電流能力測試時(shí)受到其他因素的影響，應(yīng)該要求測試平臺中晶閘管的斷態(tài)重復(fù)峰值電壓VDRM、通態(tài)電流上升率di/dt盡量小于其額定值。并且為了降低試驗(yàn)成本，每次測試僅用單片晶閘管做測試，因此試驗(yàn)電壓不能選擇太高。結(jié)合上述原因，測試平臺必須具備在較低電壓下(遠(yuǎn)低于晶閘管額定電壓)能夠輸出大電流的能力。

圖 3 a)為該測試平臺電路圖。根據(jù)仿真軟件計(jì)算結(jié)果，圖中電容器組容量為儲能元件，最大值設(shè)置為5 000 μF。電感、電阻分別起到調(diào)波和阻尼的作用，其值根據(jù)所需浪涌電流的脈寬逐級調(diào)整。因?yàn)闇y試過程中，浪涌電流的脈寬跨度較大，續(xù)流二極管在電路中的位置也根據(jù)浪涌電流脈寬進(jìn)行調(diào)整。脈寬較短的情況下，二極管支路被連接在晶閘管陰極側(cè)，如圖3 b)；脈寬較長的情況下，二極管支路被連接在晶閘管的陽極側(cè)。為防止故障時(shí)電容器的能量無法釋放，必須設(shè)計(jì)泄能裝置用于釋放能量。這里采用高壓真空陶瓷繼電器作為平臺的泄能開關(guān)、水電阻作為泄能電阻。試驗(yàn)時(shí)由高壓恒流充電機(jī)對電容器組充電，并采用Pearson 4427作為電流傳感器。

圖3 晶閘管浪涌電流測試平臺

圖4 實(shí)驗(yàn)波形

因?yàn)闇y試平臺輸出的浪涌電流值與電容器組的充電電壓為線性關(guān)系，所以通過調(diào)節(jié)充電機(jī)的輸出電壓來控制浪涌電流幅值。

短脈寬測試條件下，由于續(xù)流回路不包含晶閘管，因此可以直接根據(jù)流過晶閘管的電流波形來判斷晶閘管是否已經(jīng)被浪涌電流損壞。圖4 a)為晶閘管尚未損壞時(shí)的電流波形，圖4 b)為晶閘管已經(jīng)被浪涌損壞后的振蕩電流波形，說明晶閘管已經(jīng)沒有阻斷能力。長脈寬測試條件下，因?yàn)槔m(xù)流回路包含晶閘管，所以晶閘管損壞前后的電流波形沒有差異，不能依靠電流波形判別晶閘管的好壞。因此必須在每次試驗(yàn)后對晶閘管進(jìn)行一次耐壓試驗(yàn)。

3 數(shù)據(jù)分析

利用此浪涌電流測試平臺，對某型5 inch功率晶閘管產(chǎn)品進(jìn)行浪涌電流測試。通過調(diào)整平臺充電電容器與調(diào)波電感的參數(shù)，獲得了該型號晶閘管在不同脈寬下的浪涌電流，具體測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)對該型晶閘管進(jìn)行了4種脈寬條件下的浪涌電流測試。從表1的數(shù)據(jù)可以看出，隨著電流脈寬的減小，晶閘管的浪涌電流值是增加的，但同時(shí)晶閘管能夠承受的熱積分是在逐漸下降的。

由于浪涌電流試驗(yàn)是破壞性試驗(yàn)，每測試出一組浪涌電流，就要損壞一片晶閘管。為了排除其他因素的影響，此次試驗(yàn)采用的晶閘管為同一型號同一批次的產(chǎn)品。

圖5 某型晶閘管的安全工作曲線

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，將浪涌電流與脈寬的關(guān)系繪制出圖5中的B2曲線，同時(shí)將各種脈寬下的損壞電流繪制出圖5中B1曲線。當(dāng)晶閘管工作在B2曲線左側(cè)區(qū)域時(shí)，能夠保證晶閘管不會被浪涌電流損壞。如果晶閘管的工作狀態(tài)落在了B1曲線的右側(cè)區(qū)域，則晶閘管就一定會被浪涌電流損壞。B1曲線和B2曲線之間的區(qū)域則是一個(gè)由于試驗(yàn)平臺充電電壓分辨率導(dǎo)致的測試盲區(qū)。

用冪函數(shù)f(t)=a·tb+c去擬合圖5中曲線B2，可得a=-110.8，b=0.274 1，c=330.1，即

f(t)=-110.8t0.274 1+330.1

(1)

對該型晶閘管，凡是符合f(t)-Ip≤0的工作情況，晶閘管就可以保證不會因?yàn)槔擞侩娏鞫鵁釗p壞。

圖6 被損壞的晶閘管芯片

4 結(jié) 語

通過設(shè)計(jì)低斷態(tài)電壓、低通態(tài)電流上升率和高浪涌電流的測試平臺，測試出不同脈寬條件下晶閘管的浪涌電流。通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，繪制出被測型號晶閘管的浪涌電流和脈寬的對應(yīng)關(guān)系曲線。該曲線將有助于控制晶閘管使用時(shí)的安全裕量，為晶閘管的選型提供了更加全面的參考依據(jù)。

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