晶闸管并联静动态均流原理的教学

张 波,张雪霁,王学梅,丘东元

(华南理工大学电力学院,广东广州 510640）

晶闸管并联静动态均流原理的教学

张 波,张雪霁,王学梅,丘东元

(华南理工大学电力学院,广东广州 510640）

晶闸管的并联均流是“电力电子技术”课程的一个内容,大多数教科书对该部分的介绍都以定性分析为主,使学生难以建立完整的概念。本文根据目前电力电子技术的发展,从影响晶闸管并联均流的因素,如通态压降、开关时间、器件温度和母线配置等,到实现均流的技术和方法,系统阐述了晶闸管并联的静动态均流特性,从而弥补了现有教科书中的不足。

晶闸管;并联;均流

0 引言

晶闸管并联工作是提高电容量、增加设备运行可靠性的有效途径。电流分配均衡与否直接影响到设备的可靠运行。在各类电力电子技术教材中,对晶闸管的静动态均流往往定性分析较多,学生难以建立完整的概念。

为了指导学生在实际的并联应用中实现理想均流效果,本文从静动态均流的角度分析了影响晶闸管并联均流的因素。当功率半导体器件并联时,在各并联支路之间,会产生电流分配不均的静态均流问题。其原因是由于正向峰值电压差异,支路之间存在互感,交直流母线位置而产生的支路阻抗差别。而且,因器件开通时间的差异还会引起电流不均的动态均流问题[1]。本文为此给出改善均流的技术和方法。

在对均流问题的讨论中,并联元件之间的电流平衡程度用均流系数K表示,它是并联支路电流的平均值与各支流中最大电流的比值,表示如下:

式中,I i为各并联元件中的电流值;n为并联支路系数;Imax为Ii中电流最大值。

显然,装置的均流系数越大表示均流效果越好。但该参数与多种因素有关,例如器件本身的特性,结温的影响以及装置结构的排布。国际标准认为,K≥0.85已达到均流要求。

1 通态压降对均流的影响

稳态条件下,单个晶闸管输出特性之间的差异直接影响电流分配均衡。两个输出特性不一致的晶闸管T1和T2,并联运行时的输出特性曲线如图1所示[2]。

图1 晶闸管输出特性比较

图中U 01、U 02分别是 Tl和 T2在电流为零时阳极和阴极之间的电压,△U 1和△U 2分别表示两个晶闸管在电流为I A1和I A2时的电压变化量。

并联器件的导通特性很大程度受器件特性影响,如通态电阻r和阀值电压u0。当晶闸管在通态时,可以用通态电阻r和阀值电压u0串联模型代替该器件,如图2所示。

图2 晶闸管导通等效电路

由于并联晶闸管之间不均流,可得到电流不平衡率α为

此时,器件的通态电阻(U AK/I A)将成为影响电流分配不平衡的主要因素(式中UAK是器件导通时管压降)。因此,为保证静态均流,首先应选择通态电压U AK相同的元件并联。

2 母线配置对静态均流的影响

对于通态电阻相同的一组并联器件,母线的接入方式也会造成电流分配的不均衡。这是因为母线存在电阻、自感及互感等。另外,在工作电流较大的场合,母线的配置直接影响磁场及回路阻抗分布,导致连接在不同位置上的晶闸管流过的电流不同。

常见的对称型母线并联方式如图3所示。比较各晶闸管流过的电流大小,可知采用3(c)的并联方式时,其均流效果最好[4]。

图3 不同并联方式的均流效果

3 元件开关时间对动态均流的影响

动态电流不均匀是由器件的开关时间不同步引起的。并联晶闸管开通时间不一致不仅会造成并联支路在开通过程中的瞬态不均流,而且对各并联支路中平均电流的均衡也有较大的影响。如果开通时间差异太大,可能会造成个别并联元件不能导通。这是因为先开通的晶闸管的两端电压很快降低,当低于未导通晶闸管的门槛电压时,未开通的晶闸管就无法导通。在并联晶闸管门极弱触发时,开通时间延长,分散性增大,更易出现上述情况。

4 器件温度对动态均流的影响

晶闸管正向导通压降UAK是指在规定条件下晶闸管导通后,通态电流在器件阳极-阴极间所产生的电压降。晶闸管正向导通压降由结压降U j,体压降Ub和接触压降UΨ组成。接触压降UΨ主要由工艺过程及装配所决定,与半导体和金属间的接触质量、材料性质和组装质量等有关。随着材料和制造工艺的改进,UΨ在通态压降中所占的比例很小,其值可以忽略。因而,U D主要由结压降U j和体压降U b组成。它们随温度的特性决定了U D的温度特性。

结压降U j与温度的关系式如下[5]:

式中,A为常数,与电流密度的大小有关,电流密度大时其值较高,一般取值在1到2之间;波尔兹曼常数K=1.3806505×10-23J/K;电子电荷量q=1.6×10-19C。T为绝对温度;J为电流密度;JS为常态饱和电流密度。

其中,E g(T)为绝对温度T时PN结的导带底和价带顶的电势差。

图4是不同电流下结压降曲线,图中两条曲线分布对应的是125A和250A的电流。由图可见,当电流密度J不变时,晶闸管结压降Uj随温度的升高而降低。当温度不变时,电流增加会导致U j增加,但增加幅度不大。

由于体压降由晶闸管中四个物理层内电压降组成:U b=U p1+U N 1+U p2+U N2,但由于 P1、P2和 N2区都是高浓度重掺杂区,这三部分区域内的体压降可以忽略,所以U b≈U N1。晶闸管N1型基区有高掺杂,有较大宽度W,因此晶闸管体压降主要由N1型基区贡献。N1区体压降与温度的关系式为[6]

式中,W表示基区宽度。

图5表示UN1与温度之间的计算曲线,基区宽度W 取200μm,U N1随温度的升高而升高,但U N1的值较小。

图4 结压降的计算曲线

图5 体压降的计算曲线

在电流不变时,结压降随温度升高而降低,它占正向导通压降主要部分;体压降随温度升高而升高,占导通压降次要部分;最终使晶闸管正向导通压降随温度的升高而降低。当并联运行的同一型号晶闸管,温度升高时正向压降降低,从而使得电压差减小,这无疑会使均流系数增大,其增大的幅度与温升的高低有关。因此,温度升高可使晶闸管特性差异缩小,有利于提高均流系数。

5 结语

通过上述分析,影响晶闸管并联均流的因素有很多,在设计并联电路时,应尽可能选用参数匹配的器件、对称的并联电路布局,并使各种寄生电感最小化,以利于器件并联运行时达到理想的均流效果。实际应用中,由于受到各种客观因素限制,往往需要折衷考虑各种影响因素:当工作频率较低时,主要考虑改善静态不均流;当工作频率较高时,主要考虑改善动态不均流。

[1] 郑耀添.并联均流技术在高频开关电源中的应用研究[J].西安:微电子学与计算机,2006,23(6):169-171

[2] H e,J.,Jacobs,M.E..Non-Dissipative Dynamic Cu rrent-Sharing Snubber for Parallel Connected IGBTs in High Power Boost Converters[J].Applied Power Electronics Conference and Exposition,APEC'99,1999:1105-111

[3] 钱宇峰.电解整流系统电磁场的影响与抑制[J].北京:电磁干扰技术,2003,(1):15-17

[4] 陆地.大电流硅整流装置在氯碱工业中的应用[M].西安:西安建筑科技大学,2004

[5] 杨文换.变流器均流系数的温度特性[J].西安:电力电子技术,2003,37(2):75-78

[6] Menhart S,H udgins J L,Portnoy W M.The low temperature behavio r of thy ristors[C].PESC'90 Record,21st Annul IEEE,Power Electronics Specialists conference,1990:435-442

Teaching of Static and Dynamic Current Sharing in Paralleled Thyristors

ZHANG Bo,ZHAGN Xue-ji,WANG Xue-mei,QIU Dong-yuan

(Sou th Ch ina University o f Technology,Guangzhou 510640,Ch ina)

Current sharing in paralleled thyristors,w hich is an im portant partof Power Electronic Technology course,is alw ays difficult for students to establish an integrated understanding sincem osto f the tex tbooks only provide the qualitative analysis.According to the development of power electronic technology,the characteristic of current sharing is systematically discussed in this paper,like its impact factors,such as on-state voltage d rop,sw itching time,busbar con figuration and component temperature,etc.w hich make up the insufficient of the existing textbooks.Finally,some realization methods for current sharing are presented.

thyristor;parallel;current sharing

TM 731

A

1008-0686(2011)02-0105-03

2010-07-28;

2010-11-23

张 波(1962-),男,博士,教授,主要从事电力电子与电力传动的研究工作,E-m ail:epbzhang@scut.edu.cn