特高压直流输电换流阀用晶闸管反向恢复特性研究与分析

刘隆晨，张星海，李亚伟，张 禹，岳 珂，庞 磊

(1.国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都 610072；2.国网四川省电力公司检修公司，四川 成都 610042；3.西安交通大学电气工程学院，陕西 西安 710049)

QF=αnpnτpIF

Qt6=Qt1-Qrr

特高压直流输电换流阀用晶闸管反向恢复特性研究与分析

刘隆晨1，张星海1，李亚伟1，张 禹2，岳 珂3，庞 磊3

(1.国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都 610072；2.国网四川省电力公司检修公司，四川 成都 610042；3.西安交通大学电气工程学院，陕西 西安 710049)

为了掌握直流输电换流阀现场检测关键技术，搭建了晶闸管反向恢复特性实验电路，实验研究了正向电流幅值、换向电流变化率等参数对特高压换流阀用晶闸管反向恢复特性的影响。基于工频条件下晶闸管单元反向恢复特性研究结果，并结合特高压直流输电工程实际，从晶闸管器件物理特性的角度对上述影响的机制进行了分析。结果表明：反向恢复电荷随着正向电流、换向电流变化率的增大而增多，导致反向恢复时间增长、恢复电流峰值增大，从而引起反向恢复特性的改变；当换向电流变化率较小时，正向电流对反向恢复电荷量影响不大，反之亦然；反向恢复时间在某一正向电流幅值下发生跃变，而后随着正向电流的增大而缓慢增长。该研究可为换流阀晶闸管级单元现场检测试验提供可靠的理论依据。

换流阀；大功率晶闸管；反向恢复；正向电流

0 引 言

大功率晶闸管作为直流输电系统换流阀的核心器件，其暂态特性是晶闸管应用基础研究的核心问题。当晶闸管尺寸较小且承受电压较低时，其内部载流子的扩散效应不明显，在早期的应用中往往被忽略。随着特高压直流输电技术的发展，晶闸管功率容量显著提高，晶闸管结构尺寸增大。此时，器件内部载流子的扩散效应以及电导调制效应也随之增强，反向恢复过程的影响无法忽视。

晶闸管反向恢复过程是指在晶闸管关断过程中，由于基区过剩的载流子无法立即消失，残留在基区的电荷需通过迁移、扩散以及复合等方式进行释放，导致晶闸管中出现负向电流[1-2]。受外电路电感效应的影响，晶闸管两端会出现反向尖峰电压。

在晶闸管反向恢复过程中，由于基区存在大量非平衡载流子，其正、反向阻断能力尚未恢复，此时换流阀遭受直流系统暂态脉冲的冲击极易发生晶闸管损坏；另外，反向恢复过程的特征参量(反向恢复电荷、反向恢复时间等)，对晶闸管级单元阻尼回路和控制单元的参数设计具有重要意义。因此，研究正向电流参数对晶闸管反向恢复特性的影响有助于降低晶闸管发生失效的概率，也可为换流阀设计、运行和检测提供理论基础。

目前针对换流阀用晶闸管的暂态过程研究并不多见。文献[3-5]对晶闸管换流阀关断暂态过电压及电压分布进行了分析，部分研究内容涉及晶闸管的反向恢复特性；但该研究以换流电路中的阀组件为主要研究对象，采用电路解析或仿真的方法，将晶闸管的关断过程用等效电路模型替代，这忽略了器件本身的反向恢复特性。蓝元良等采用反向恢复电流模型，分析串联晶闸管的反向恢复暂态过程[6]；邹刚等使用宏模型研究晶闸管反向恢复特性[7]，但上述研究与器件真实的恢复过程不符。

搭建了晶闸管反向恢复特性实验平台，在近似真实工况的实验条件下，通过反向电流电压波形测量与分析，研究正向电流幅值、换向电流变化率等参数对大功率晶闸管反向恢复特性的影响规律。结合直流输电系统中晶闸管的运行工况，重点关注工频条件下的反向恢复特性，并从器件内部物理特性的角度分析正向电流参数对晶闸管反向恢复特性影响的作用机制。

1 晶闸管反向恢复物理过程分析

晶闸管是功率半导体器件，由4个交替掺杂层形成的3个PN结组成，也可将晶闸管等效为2个晶体管。晶闸管的结构中P型掺杂的阳极层位于底端，接着是N-基区，P基区，最后是N+阴极层，其中N-基区轻度掺杂，并有足够宽度。

图1为晶闸管反向恢复过程典型波形。图中，虚线为电流波形，实线为电压波形。反向电流从0增大到峰值Irm所用的时间t1～t5称为存储时间ts，从峰值Irm回落到0.1Irm所用的时间称为下降时间tf，存储时间ts和下降时间tf之和为反向恢复时间trr。一般而言，当反向电流下降至静态漏电流时，晶闸管反向恢复过程结束。

图1 晶闸管反向恢复过程典型波形

在感性负载条件下，晶闸管换向之前(t0时刻前)，晶闸管处于稳定开通状态，大多数电荷存储于基区，这些电荷由基区过剩的少数载流子组成，其中主要是空穴载流子，此时器件中存储的电荷近似为[8]

QF=αnpnτpIF

(1)

式中：αnpn为晶闸管中等效NPN晶体管的电流增益；τp为n基区少数载流子寿命；IF为正向电流。t0时刻阳极施加反向电压，t0～t1阶段晶闸管完全导通，导通压降可忽略。反向电压Ur由回路电感L承担，回路电流以恒定的电流变化率di/dt衰减，即

(2)

此时存储电荷从QF减小到Qt1[9]，即

(3)

故电流过零点时器件中仍有大量的非平衡载流子。

t1～t2阶段，电流反向，非平衡载流子从基区中移除，空穴穿过J1被抽出，电子在J3被移除，载流子被扫出导致2个发射极内非平衡载流子浓度骤减。由于P基极比N基极掺杂重，且N发射极的初始载流子浓度比P发射极低，J3的非平衡载流子浓度衰减到0所需时间比J1少得多。在t2时刻， J3的载流子被抽空，故J3开始承受电压，此时电流变化率很小，为

(4)

式中，UT近似为J3压降，故di/dt下降。t3时刻，UT到达J3的雪崩击穿电压。在t4时刻，J1的非平衡载流子浓度降为0，J1开始承受电压，不断上升的UT使得电流变化率进一步减少。在t5时刻UT=Ur，电流变化率di/dt为0，电流达到反向峰值电流Irm，t5时刻之后晶闸管开始恢复反向阻断能力。

t5～t6阶段，由于耗尽层无法继续扫出载流子，故耗尽层不能进一步拓展，剩余的非平衡载流子只能靠内部复合而消失。非平衡载流子浓度下降导致能扩散至耗尽层边缘的载流子减少，反向电流近似于按照时间常数τ呈指数函数衰减，回路电感会感应出一个电压使得晶闸管承受反向过电压Urm，即

(5)

此电压往往远大于所施加的反向电压Ur。

在t6时刻， P基区存储电荷已被完全清除，N基区中还剩余少量存储电荷，剩余存储电荷为

Qt6=Qt1-Qrr

(6)

式中，Qt6一般通过载流子复合的方式消去，故可近似认为Qrr=Qt1。需要说明：器件恢复电荷Qrr不等于存储电荷减小的总量QRR，这是因为在恢复阶段，载流子仍继续向基区注入，故电荷减少量QRR仅为恢复电荷Qrr的一部分。当外施反向电压很高时，恢复电荷很快被抽走，故QRR占据Qrr的绝大部分。

2 实验平台

采用正弦电流波形研究晶闸管的反向恢复特性，实验电路如图2所示[10]。图中，R1为充电限流电阻，C为充电电容，L为放电回路电感，R2为无感电阻，DUT为特高压换流阀用大功率晶闸管试品。采用泰克公司高压探头P6015A测量晶闸管两端的电压，流过晶闸管的电流由Pearson公司罗氏线圈测量，采用Tektronix公司DPO4054型数字示波器记录电流电压波形。

图2 实验平台

晶闸管触发导通后，电容C通过L和R2衰减振荡放电，当电路满足

(7)

R2LC回路为欠阻尼振荡，测量反向恢复电压、电流波形，分析计算反向恢复特征量。

实验研究正向电流幅值Ip、换向电流变化率di/dt对晶闸管反向恢复特征量(反向恢复电压电流、反向恢复时间、反向恢复电荷、恢复软度)的影响。改变电容C充电电压，研究不同正向电流幅值下晶闸管的反向恢复特性；调节电容C的电容值，改变通态脉冲宽度，即

(8)

在同一正向电流幅值下，改变换向电流变化率，研究换向电流变化率对晶闸管反向恢复过程的影响。

3 实验结果与分析

大功率半导体器件的动态特性与其导通时间相关，并且该类器件具有电导调制效应，导通持续时间必须足够长，才能保证载流子达到平衡。直流输电系统中大功率晶闸管工作于工频条件下，因此需研究工频条件下晶闸管的反向恢复特性。调节测试回路的LC参数，保证通态脉冲宽度为10 ms，改变正向电流幅值。不同正向电流下反向恢复电流、电压波形如图3所示。

图3 不同正向电流下反向恢复电流、电压波形

反向恢复时间trr随正向电流幅值Ip的变化曲线如图4所示，反向恢复时间trr同正向电流幅值Ip呈正相关，当Ip等于200 A时，trr迅速增大到200 μs，之后trr缓慢增长到约300 μs。

图4 反向恢复时间trr随正向电流Ip的变化曲线

反向恢复电荷Qrr随正向电流幅值Ip的变化曲线如图5所示，Qrr随Ip增加而近似线性增大。由图可看出，反向恢复时间不大于300 μs，关断足够快，器件内部载流子复合消散不显著；此时Qrr为存储在晶闸管中全部电荷量，约等于QF，因此Qrr同Ip近似呈现出线性的关系，可以用式(1)描述。

图5 反向恢复电荷Qrr随正向电流Ip的变化曲线

反向恢复电流峰值Irm随正向电流幅值Ip的变化曲线如图6所示，Irm随Ip的增大而增大。反向电流达到Irm之前，晶闸管扫出电荷量与Ip呈近似线性正比关系；此外，由图3(a)可见存储时间ts基本不受Ip影响，故Ip越大，扫出电荷量越多，Irm与Ip具有良好的线性度。

图6 反向恢复电流峰值Irm随正向电流Ip的变化曲线

反向恢复电压峰值Urm随正向电流幅值Ip的变化曲线如图7所示，Ip增大，Urm也随之增大，线性度良好。

图7 反向恢复电压峰值Urm随正向电流Ip的变化曲线

图8为比值Urm/Ur随正向电流幅值Ip的变化曲线。Urm/Ur表征器件的急变特性，Ip越大，Urm/Ur减小，反向特性越软，但Urm/Ur比值仍大于3。在大电流下非平衡载流子具有更多能量，复合难度加剧，载流子寿命增长，存储电荷增加，因此晶闸管在大电流条件下恢复特性更软。

图8 比值Urm/Ur随正向电流Ip的变化曲线

4 结 论

分析了大功率晶闸管的反向恢复物理过程，通过实验的方法研究了正向电流对晶闸管反向恢复特性的影响，重点关注了工况条件下晶闸管的反向恢复特性，得到了如下结论：

1)晶闸管反向恢复特性主要取决于正向电流和换向电流变化率。提高换向电流变化率，将加快晶闸管内部载流子扫出速率，载流子发生复合的机率变小，故反向恢复电荷增多，反向恢复时间变短，反向恢复电压峰值也随之增大。增大正向电流，会增多晶闸管内部存储电荷，故反向恢复时间和反向恢复电流峰值也随之增加，进而导致了更大的反向恢复电压峰值。

2)反向恢复时间与正向电流幅值正相关，当正向电流达到某一幅值时，反向恢复时间发生跃变，之后随正向电流幅值的增大而缓慢增长。当换向电流变化率较高时，反向恢复电荷量与正向电流密切相关。

综上，对于换流阀晶闸管级单元的现场测试，试验脉冲的时间参数需要依据晶闸管正向导通电流幅值而设定。

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In order to grasp the in-situ test technology of converter valve, the test circuit for reverse recovery characteristics of high-power thyristor is built. The effects of forward current amplitude and change rate of commutating current on reverse recovery characteristics of high-power thyristors are studied experimentally. Based on the research results of reverse recovery characteristics of thyristor under power frequency condition, the mechanism of these effects is also analyzed as viewed from the physical characteristics of thyristor. The results show that the reverse recovery charge increases with the rise of peak current or commutating di/dt, which results in the increase of reverse recovery time and recovery current peak, and it would change the reverse recovery characteristics. And when the commutating di/dtbecomes lower, the forward current has little effect on the reverse recovery charge, and vice versa. With the increase of forward current, the reverse recovery time changes sharply at a certain current, and then grows slowly. The research can provide a reliable theoretical support for the in-situ test of thyristor level of the converter valve.

converter valve; high-power thyristor; reverse recovery; forward current

TM72

A

1003-6954(2017)01-0051-04

2016-09-21)

刘隆晨(1987)，博士，主要从事高压直流输电技术和放电等离子体应用的研究。