突加大脉冲电流条件下晶闸管关断时间计算

刘佳，蒋心怡，庄劲武，王晨

（海军工程大学，武汉 430033）

0 引言

晶闸管作为大功率开关器件应用于某新型舰船真空直流断路器[1-3]，关断需用较窄的负脉冲电流，其脉冲宽度由晶闸管的关断时间来决定，因此晶闸管的关断时间是其重要参数。在实际使用中，不同外部电路条件，以及晶闸管的分散性，同一型号晶闸管的关断时间是不同的。在实验中发现，晶闸管在突加大脉冲电流条件下强迫关断时，重加正向电压时刻靠近晶闸管关断时间，晶闸管容易被击穿。因此，能够通过晶闸管的已知参数，较为准确的计算出在实验条件下的关断时间，是有必要的。

文献[4]给出了晶闸管传统关断时间公式推导，该推导过程没有考虑正向导通电流，反偏电压，重加 dV/dt等外部因素对关断时间的影响；文献[5]分析了实际应用的强迫换向和感性负载条件下的关断过程，它给出了晶闸管在关断时，电流过零时刻的存储电荷与稳定通流时存储电荷的关系式，指出对与电流下降率较小的情况，电流过零时刻的存储电荷与稳定时正向通流值无关，并给出了电流过零时刻存储电荷与di/dt的关系式，但没有分析脉冲电流由零到达峰值时刻的存储电荷与稳定通流时存储电荷的关系；文献[6]建立了恢复过程的模型，包括了阴极发射区短路点的影响与再加电压dV/dt的影响。

本文在考虑不同外部电路条件对关断时间的影响基础上，分析晶闸管在大脉冲电流条件下与稳态通流条件下存储电荷的关系，并推导出关断时间的解析计算式。

1 晶闸管关断过程分析

晶闸管的关断过程分为三个阶段，延时阶段，下降阶段，正向恢复阶段。当晶闸管处于导通状态时，所有三个PN结均为正向偏置，在器件中存在过剩的少数载流子和多数载流子，这些过剩载流子随正向电流增加而增加。关断时，过剩载流子必须由电场扫出，或经复合消失[7]。典型的关断电流波形如图1所示。对图1中的电流波形进行准确的分析是很复杂的，但是文献[8]指出可以通过下面的方法预估关断时间。该文献认为时间延迟主要由 N1层中的复合时间决定。基极电荷复合时间方程：

式中 Qn1为 N1区的通过复合消耗掉的存储电荷，是时间t的函数；τp为N1区少子寿命，公式（1）解为：

根据关断时间的定义，关断时间的零时刻为晶闸管电流过零的时刻。经过tq时间后重加一正向电压，剩余的存储电荷Qn1（tq）不足以引起正向触发，则关断过程结束。

由公式（2）可得关断时间为：

假设[4]：

1）在晶闸管关断前处在稳态条件下通流为IF，器件的存储电荷为QF；

2）关断时电流由 IF下降到 0的时间 t0＜＜τp；

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3）由反向电流注入的电荷 Qrr＜＜Qn1（0）；

4）不考虑再加电压dV/dt的影响。

可以得到传统关断时间公式：

本文以式（4）为基础，考虑晶闸管在脉冲电流条件下关断前的存储电荷，得到其在脉冲电流条件下的关断时间公式。

2 晶闸管关断时间的计算

晶闸管在大脉冲电流条件下的关断时间测试实验电路如图2所示，晶闸管F为关断时间的待测对象。

实验初始状态：电容C、C1预充电，晶闸管F、F1截止状态；t1时刻触发晶闸管F，C、F、L回路放电；t2时刻触发关断晶闸管F1，由于F支路电感远小于电感L，关断电流几乎全部从F上流过，F上电流迅速下降至零并截止，电流全部换流至关断支路。当F电流过零时刻起F承受反压到关断回路电流低与主回路电流时刻止F承受正压这段时间Δt为预留给F关断时间，本文称为预关断时间。通过调整C1充电电压来调整Δt。

图3为该实验主回路电流 i，关断回路电流iC，晶闸管F电流iA的电流波形。

2.1 突加大脉冲电流条件下晶闸管存储电荷的计算

Q’F为大脉冲电流条件下，电流达到峰值 IF时，器件的存储电荷。

式（5）表明在电流下降阶段，存储电荷与时间为指数关系。

在同一实验中晶闸管在负脉冲电流注入前不是稳定通流，而是高上升率的脉冲电流，根据式（5）存储电荷与时间的指数关系，可以认为电流在上升阶段，存储电荷随与时间为相同的指数关系，由此推导出Q’F与QF的关系式：

QF是晶闸管处在稳态通流IF时，器件的存储电荷。

将式（6）代入式（5）得到突加大脉冲电流条件下电流过零时刻器件的存储电荷公式。快速晶闸管的 τp一般小于 3μs，而 t0与 tF一般大于50μs，因此，可以得到电流过零时刻存储电荷的近似公式：

由式（7）可知，在脉冲电流条件下晶闸管存储电荷同稳态通流时晶闸管存储电荷之间的关系：脉冲电流上升越慢（tF越大），晶闸管的存储电荷越接近稳态电流时的存储电荷；脉冲电流下降越快（t0越小），晶闸管的存储电荷越接近稳态电流时的存储电荷。

2.2 反向电流IR对存储电荷的影响

晶闸管在大注入条件下，换相后通过晶闸管的反向电流IR对关断时间有影响。文献[4]分析了该过程和影响因素。反向电流IR在晶闸管中流过，此段时间晶闸管的存储电荷减少总值为 Qrr，Qrr是不等于恢复电荷积分值（图 4中阴影区）QRR的，因为在恢复阶段，载流子向基区的注入仍在继续进行，所以 Qrr是 QRR中的一部分。反偏电压越高时，恢复电荷越快被抽走，Qrr在QRR中的比例就越大。关断过程开始时 N1区的存储电荷Qn1（0）应该是电流过0时刻的存储电荷减去反向电流注入的电荷 Qrr，即：Qn1(0)=Qt0−Qrr。文献[4]没有给出 Qrr在 QRR中的比例与反偏电压的关系式，无法给本文定量计算提供依据。当反偏电压较低时，本文近似认为Qrr等于0。

2.3 晶闸管关断时间的计算

突加脉冲电流是影响晶闸管关断时间的主要外部因素，当反偏电压较低，忽略 Qrr对恢复电荷的影响，忽略重加 dV/dt差异的影响，关断时间公式修改为：

τp未知，由晶闸管出厂参数和测试条件，根据式（8）通过 matlab等软件求出 τp，再将 τp和实验所需的脉冲电流参数代入式（8），得到实验条件下关断时间计算值。

3 近似计算值与实验对比

实验采用图2所示实验电路，晶闸管F分别采用两只北京东菱公司的kk1000 A/2500 V快速晶闸管为实验对象。该型晶闸管提供的关断时间出厂测试条件为：温度 125℃，正向通流为峰值为1 kA、平均di/dt为20 A/μs正弦半波，再加断态电压 1.25 kV。在该条件下测定的关断时间为19 μs和20 μs。该型晶闸管维持电流在125℃时为 400 mA。将上述参数代入式（8），用 matlab计算出 τp分别为 3.939 μs和 4.112 μs。

实验温度25℃，C为2 mF，C1为250 μF，L为40 μH，L1为5 μH。关断峰值为2 kA的脉冲电流， tF为 240 μs左右，t0为 20 μs左右。根据实验波形所得到的参数用式（8）计算出两只晶闸管的关断时间分别为25.97 μs和27.28 μs（在25℃条件下，该型晶闸管维持电流为500 mA）。两只晶闸管在不同预关断时间的状态如表 1所示。

表1 关断时间测试实验结果

该实验结果表明在该实验条件下，两只晶闸管的关断时间为34 μs到35 μs之间。

4 小结

本文考虑到正向突加脉冲电流对关断时间的影响，根据存储电荷理论修改了传统关断时间公式，推导了晶闸管在突加大脉冲电流条件下关断时间的解析计算式，并与实验进行了对比，在此基础上得到的主要结论有：

1） 如果只考虑正向脉冲电流对关断时间的影响，可以通过厂家提供的关断时间和测试条件用式（8）计算出不同正向脉冲电流条件下的关断时间；

2） 根据本文的实验值与计算值的对比，发现有一定差距，这是因为影响关断时间的主要外部因素是正向脉冲电流，但还需考虑反偏电压、重加 dV/dt和温度等因素。下一步工作将研究反偏电压与重加 dV/dt对关断时间的影响，对其进行定量的分析，完善本文的关断时间计算公式。

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[1]王晨，庄劲武，张晓锋等.新型混合式限流断路器设计及其可靠性分析[J].电力系统自动化.2008，32(12)：61-67.

[2]王晨，庄劲武，张晓锋等.混合型限流断路器在高短路电流上升率时换流试验分析[J].电力系统自动化.2009，33(16)：65-69.

[3]王晨，庄劲武，张晓锋等.新型混合型限流断路器分析及试验[J].电力系统自动化.2010，34(15)：60-65.

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[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.半导体器件物理[M].西安：西安交通大学出版社，2008：423-434.

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