脉冲作用下晶闸管反向恢复性能退化研究

岳珂，庞磊，陈炫宇，叶明天，张乔根，陶风波

(1. 国网陕西省电力公司西安供电公司，陕西 西安710032；2. 电气设备电气绝缘国家重点实验室(西安交通大学)，陕西 西安710049；3. 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，江苏 南京211103)

晶闸管是直流输电换流阀中的关键元件[1]，在其关断过程中，由于基区过剩的载流子无法立即消失，需要经历反向恢复过程，缓慢释放残留电荷[2-3]。换流阀的工作环境十分复杂，如换流失败、雷电冲击、交流网压扰动等时有发生，因而在晶闸管两端产生正向过电压[4]。在反向恢复过程中，晶闸管极易遭受电压脉冲的冲击[5-8]，对器件造成不良影响。作为半导体器件，晶闸管是一种相对脆弱的电气元件，在反向恢复过程中，脉冲电压的冲击成为换相失败和晶闸管失效的主要原因之一，受到研究人员的高度重视[9-11]。因此，研究反向恢复期内脉冲电压对晶闸管反向恢复性能退化特性的影响，对指导高压晶闸管的保护设计，保证设备的可靠运行具有重要意义。

作为换流阀的关键器件，晶闸管的可靠性在很大程度上影响着电网系统的安全运行。随着国内外直流输电工程投运年限的增加，因晶闸管反向恢复性能退化所导致的各种故障逐渐显现，目前已有一些文献对晶闸管性能退化进行了研究，但多数关注于器件退化对直流系统造成的影响。例如，晶闸管反向恢复电荷的变化引起串联晶闸管电压分布不均，这是导致换流阀晶闸管被击穿的主要原因[12]；通过研究直流工程中运行多年的晶闸管，发现高压晶闸管存在系统性退化[13-14]；换流阀处于长期运行中，其中的晶闸管器件难免遭受各种过电压冲击，多次脉冲电压作用使得晶闸管累积疲劳，对器件的性能造成不可逆的影响[15-16]，进而影响直流输电线路的稳定运行。但是，这些研究主要基于一些经验判断，没有理论模型的支撑，并且未对晶闸管特性改变的原因进行深入讨论。目前对晶闸管在反向恢复期内遭受脉冲电压冲击造成的性能退化方面的研究十分匮乏，退化规律和退化机制尚不明确。

对此，本文搭建脉冲电压下晶闸管反向恢复性能退化特性的实验平台，研究脉冲峰值电压、脉冲电压上升率和脉冲施加时刻等参数对反向恢复电流的影响，对高压晶闸管的动态特性进行阐述，并讨论晶闸管反向恢复性能退化的机制。

1 实验设计

本实验系统使用工频正弦电流作为晶闸管通态电流。 在反向恢复过程中，自晶闸管电压负向过零时刻开始计时，延迟一定时间后，向晶闸管阳极施加正向脉冲电压，模拟反向恢复期暂态脉冲。通过测量晶闸管的电流和电压波形，研究脉冲电压对晶闸管反向恢复性能参数的影响规律。

在反向恢复期内，向晶闸管阳极施加脉冲电压，如图1所示。图1中：曲线i和u分别代表晶闸管的电流和电压波形，t1为电流过零换向时刻，t2为反向电流达到最大值(即反向恢复电流峰值Irm)的时刻，t3为电流衰减至反向漏电流的时刻。反向恢复电流从零增大到Irm所用的时间称为存储时间，记作ts；从Irm衰减到电流接近于零所用的时间称为下降时间，记作tf；ts与tf之和称为反向恢复时间，记作trr；tf/ts称为恢复软度[17]。根据以上定义，有ts=t2-t1，tf=t3-t2且trr=t3-t1。从时刻t1到时刻t3，流过晶闸管器件的电荷总量称为反向恢复电荷，记作Qrr。在实际应用中，为了便于计算，用0.5trrIrm近似代替Qrr。由于实验不关注脉冲波尾对晶闸管恢复过程的影响，用脉冲上升沿du/dt表示脉冲电压。关于晶闸管电压开始反向的时刻与反向恢复电流达到Irm的时刻，理论上前者略早于后者；但是为了简化模型，本研究中假定两者同时发生，并用t2表示这个时刻。脉冲电压施加时刻通常以t2作为参照点，并于时刻(t2+Δt)在晶闸管两端施加一个正向脉冲，其中Δt为脉冲电压延迟施加时间，又称脉冲延时。

图1 反向恢复期施加脉冲电压示意图Fig.1 Schematic of impulse voltage applied during reverse recovery

为了获得图1中晶闸管的波形，本研究设计如图2所示的实验平台，图2中：DC1和DC2均为高压直流电源，VT为辅助晶闸管，D为续流二极管，S为分流器，R1—R4为电阻，C1—C4为电容，L为电感。该平台的实验电路包括工频电流模块、冲击电源模块以及单片机延时控制系统。 晶闸管试品DUT介于2个模块之间，工频电源模块向DUT提供正向导通电流，冲击电源模块向DUT提供正向脉冲电压； 单片机延时控制系统用来向绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)驱动电路发送开关信号指令，以便释放脉冲电压。 经工频电流模块、冲击电源模块和单片机延时控制系统之间的相互配合，可实现反向恢复期内向晶闸管施加脉冲电压的功能。

实验使用P6015A型泰克高压探头和自制分流器，分别测量电压和电流，并使用DPO4104型泰克数字示波器记录波形。 实验试品DUT为压接式高压大功率晶闸管，结构与实际工程中所用器件相同，因此研究结论具有一定的参考价值。实验试品DUT的具体参数包括：断态不重复峰值电压1 800 V，反向不重复峰值电压1 800 V，通态平均电流500 A，断态电压临界上升率1 000 V/μs，关断时间190 μs。

图2 实验平台Fig.2 Experiment platform

本实验研究了多次脉冲作用下晶闸管反向恢复性能的变化规律，关注实验次数、脉冲电压波形和施加时刻等参数对反向恢复过程的影响；所有实验均在室温下进行，实验过程中器件温度未出现明显上升，因此本实验不考虑温度的影响。

2 多次脉冲作用下晶闸管反向恢复性能退化现象

由于半导体制造工艺的限制，不同的器件特性存在一定的差异， 同一器件经过一段时间的使用，其原有特性也可能在一定程度上发生改变[13]。实验选取5只相同型号批次的晶闸管试品，记为N1—N5； 统一设定工频电流幅值Ip=500 A，脉冲延时Δt=100 μs，冲击次数N=2 500，脉冲电压峰值Up=1.8 kV，脉冲电压上升率du/dt=210 V/μs。 经过一定次数的脉冲冲击后，测量每只器件的反向恢复性能参数，并对测量数据进行分析。

经过2 500次脉冲电压冲击后，晶闸管试品的反向恢复电流随时间变化的结果如图3所示。5个试品的反向恢复电流波形基本重叠，与器件初始反向恢复波形进行对比，发现反向恢复性能均发生明显改变，即晶闸管的反向恢复性能退化。在器件未损坏的前提下，反向恢复时间和反向恢复电荷均变小，表明脉冲电压对晶闸管反向恢复性能有较大影响。

图3 多次脉冲作用下晶闸管反向恢复性能变化Fig.3 Changes of reverse recovery performance of thyristor under repeated impulses

对于晶闸管来说，其反向恢复性能与通态电压相关联[1]，因此需要通过测量通态电压来验证反向恢复性能退化的规律。表 1列出了2 500次重复脉冲试验前后，晶闸管试品通态电压UTM的测量参数。 测试时门极触发电流为200 mA，阳极电压为12 V。由 表1可以发现，经过多次脉冲冲击后，UTM略微增大， 与器件初始情况相比，UTM平均增加了3.9%。

表1 晶闸管通态电压测量值Tab.1 Measured values of on-state voltage of thyristor

在大注入条件下，UTM由结电压和基区电压组成，表示为[18]

(1)

式中：k为玻尔兹曼常数；T为温度；g为晶闸管N+区域中高掺杂区厚度；N20为晶闸管N+区域多数载流子浓度；D为载流子扩散系数；μ为载流子迁移率；τ为载流子寿命；ni为本征载流子浓度；q为电子电荷常数；w为晶闸管基区厚度；Lc为载流子扩散长度；I为电流密度。根据式(1)，UTM与w的平方成正比，与τ的平方根成反比。对于高压大功率晶闸管，在大注入条件下，有w/Lc>1，UTM主要由基区电压形成，此时τ对UTM有很大影响；trr和Qrr与UTM均成反比关系。换言之，随着硅晶片中τ减少，trr和Qrr均减小，而UTM却增加。

在热平衡条件下，晶闸管中电子-空穴对的产生和复合保持平衡，在外部激励的作用下，晶闸管中将出现过剩的非平衡载流子。这些非平衡载流子通过复合过程消失，其中电子和空穴的复合可能是从能带到能带，也可能是经过杂质能级或缺陷而复合。这种复合作用可以通过少数载流子的寿命来表征，在大注入情况下，少数载流子寿命[18]

(2)

式中：τp0、τn0分别为重掺杂条件下P型、N型硅材料少数载流子的寿命；σp、σn分别为复合中心对空穴、电子俘获截面积；vp、vn分别为空穴、电子的热速度；Nt为复合中心密度。由此可见，τHL与复合中心密切相关。半导体中，一方面通过金属掺杂，在硅能带中引入深能级，形成缺陷中心，从而成为复合中心；另一方面通过高能粒子轰击硅晶体，在晶体中产生空位和间隙，形成晶格损伤，从而成为复合中心。半导体中的杂质和缺陷具有促进复合的作用，它们在能带间隙中的导带与价带之间产生居中阶梯，有利于载流子传输，对过剩非平衡载流子的寿命有很大影响。脉冲电压可能加剧硅晶片中掺杂金属的扩散效应，或使合金成分发生微小改变。金属元素的迁移和扩散将导致晶格缺陷增多，产生更多的复合中心。这样一来，式(2)中的Nt将增大，从而导致τ缩短，晶闸管trr缩短，Qrr减少。

3 实验结果与分析

以上分析表明，晶闸管的反向恢复性能参数在脉冲电压的作用下改变较大。为了解决晶闸管器件暂态过程中电压扰动对其性能的影响等问题，本文进一步研究脉冲峰值电压、脉冲电压上升率和脉冲施加时刻等参数对反向恢复性能退化特性的影响规律。

3.1 脉冲峰值电压对反向恢复性能退化的影响

为了研究脉冲电压对晶闸管反向恢复性能参数的变化规律，在晶闸管阳极电压反向后，延迟100 μs施加脉冲电压。选取若干具有代表性的脉冲峰值电压，固定脉冲电压上升率du/dt=100 V/μs。经2 500次冲击后，再次测量器件反向恢复性能参数。反向恢复存储时间ts的实验结果如图4所示。

图4 脉冲峰值电压对反向恢复存储时间的影响Fig.4 Influence of Up on ts

由图4可见，冲击之前，ts=32.08 μs。反复冲击后，ts值随着Up的增加而缓慢减小。例如，对于Up=1.8 kV，反复冲击后，ts=26.9 μs，减少了16.1%。

Up对trr的影响如图5所示。由图5可见，冲击前trr=125.08 μs，经反复冲击后，trr值随着Up的增加逐渐减小。例如，对于Up=1.8 kV，反复冲击后，trr=95 μs，与冲击前相比减少24%，明显小于器件手册提供的数据。在相同的外部电路条件下，ts仅与器件通态的存储电荷量有关，当器件遭受脉冲电压反复冲击后，ts缩短。该结果表明正向导通过程中器件存储的过剩载流子减少，载流子寿命缩短，载流子复合加剧，这也直接导致了trr降低。此外，由于tf/ts=(trr-ts)/ts，可以利用上面2个实验的结果，直接计算恢复软度。例如，对于峰值为1.8 kV的脉冲电压，tf/ts值将从2.9降低到2.5。由此可知，tf/ts值将在反复冲击后变小，也即恢复软度变硬；tf阶段的反向恢复电流变化率增大，导致在反向恢复过程中出现更高的反向恢复电压尖峰，从而串联晶闸管的其他器件将承受更高的电压应力，加速器件老化。

图5 脉冲峰值电压对反向恢复时间的影响Fig.5 Influence of Up on trr

Up对Qrr的影响如图6所示。由图6可见，在冲击前，Qrr=209.5 μC，反复冲击后，Qrr值减小，且减小的幅度随Up的增大而变小。例如，当Up=1.8 kV时，在反复冲击后，Qrr值降低32.6%。Qrr的减少是由晶闸管换向时刻基区存储电荷量Q(t1)的降低所引起的，其中[7]

(3)

式中：K0为晶闸管中等效NPN晶体管的电流增益；ω即角频率2πf。由式(3)可知，反向恢复电荷退化特性与器件内部τ有直接关系。

图6 脉冲峰值电压对反向恢复电荷的影响Fig.6 Influence of Up on Qrr

3.2 脉冲电压上升率对反向恢复性能退化的影响

ts、trr与du/dt及Up的关系分别如图7和图8所示。由2个图可以看出：ts和trr均随着du/dt的增大而减小，并且当Up增大时，ts和trr的减小速度加快。当Up超过1.42 kV之后，du/dt对ts和trr的影响进一步提高。当Up=1.80 kV且du/dt=210 V/μs时，ts和trr分别为24.3 μs和87.6 μs，与冲击前相比，分别减小了24.2%和30%。此外，当Up=1.02 kV且du/dt=121 V/μs时，trr≈106 μs；当Up=1.42 kV且du/dt=95 V/μs时，trr≈106 μs。这表明低压快脉冲与高压慢脉冲对trr的影响差别不大。

图7 不同脉冲峰值电压下du/dt对存储时间的影响Fig.7 Influence of du/dt on ts under different Up

图8 不同脉冲峰值电压下du/dt对反向恢复时间的影响Fig.8 Influence of du/dt on trr under different Up

Qrr与du/dt及Up的关系如图9所示。图9中，Qrr随着du/dt的增大而减小；当Up增大时，du/dt对Qrr的影响增大；当du/dt=210 V/μs时，若Up的值为0.62 kV和1.80 kV，则Qrr分别为148 μC和109.5 μC，与冲击前相比，分别减少了29.4%和47.7%。

图9 不同脉冲峰值电压下du/dt对反向恢复电荷的影响Fig.9 Influence of du/dt on Qrr under different Up

3.3 脉冲电压施加时刻对反向恢复性能退化的影响

固定du/dt=100 V/μs，通过改变脉冲施加时刻t2+Δt，研究不同Up下，Δt对反向恢复性能参数的变化规律。Δt对ts、trr的影响分别如图10和图11所示。由2个图可以发现：ts和trr均随着Δt的减小而减小；换言之，冲击越早，ts和trr越短，且随着Δt的增大，ts和trr均呈现饱和趋势。当Δt超过110 μs时，Δt对ts和trr的影响不明显。脉冲电压峰值可以改变Δt对ts和trr的影响，高压脉冲下Δt对两者的影响更加明显。固定脉冲延时Δt为80 μs，施加低压脉冲时(Up=0.42 kV)，与冲击前相比，ts和trr分别缩短8.7%和12.9%；施加高压脉冲时(Up=1.42 kV)，ts和trr分别缩短23%和29.6%。

图10 不同脉冲峰值电压下Δt对存储时间的影响Fig.10 Influence of Δt on ts under different Up

图11 不同脉冲峰值电压下Δt对反向恢复时间的影响Fig.11 Influence of Δt on trr under different Up

Δt对Qrr的影响如图12所示。由图12可见，随着脉冲施加时间点的提前(即随着Δt减小)，Qrr呈现减小趋势；当Δt足够大时，Qrr呈现饱和状态；此外，在施加高压脉冲时，Δt对Qrr的影响增大。例如，当Δt从120 μs缩短到80 μs时：若Up=0.42 kV，Qrr减少19.4%；若Up=1.42 kV，则Qrr减少42.7%。

图12 不同脉冲峰值电压下Δt对反向恢复电荷的影响Fig.12 Influence of Δt on Qrr under different Up

由上述实验可知，晶闸管反向恢复过程中遭受多次重复暂态脉冲电压冲击，将导致晶闸管反向恢复性能退化，具体表现为反向恢复性能参数发生改变。换流阀运行时，晶闸管器件常常遭受脉冲电压的冲击，这种“软损伤”将导致阀臂串联晶闸管的协调性变差，具体表现为串联晶闸管反向恢复性能的差异变大。一方面，串联晶闸管电压分布不均问题更加严重，在阀臂换向阶段，先关断的晶闸管将承担更高的电压，这将增大其负担，加速器件老化，甚至造成器件发生不可逆的电击穿，当器件失效数量超过冗余设计时，系统性失效的风险大大增加；另一方面，反向恢复时间改变将导致阀臂关断过程中，晶闸管正向过零点的时刻出现差异，这可能引发换相失败，严重威胁系统安全运行。

4 结论

本文通过对处于反向恢复暂态的晶闸管阳极施加脉冲电压，研究暂态脉冲对晶闸管反向恢复性能的影响规律，重点关注脉冲峰值电压、脉冲电压上升率和脉冲施加时刻等参数对晶闸管反向恢复过程的影响，主要结论如下：

a)在反向恢复期多次脉冲的冲击下，晶闸管反向恢复性能发生明显改变，主要表现为反向恢复时间缩短，反向恢复电荷减少，恢复软度降低；与此同时，晶闸管通态电压略微增大。

b)当脉冲电压幅值越大、脉冲延时越短时，脉冲电压对反向恢复性能的影响越大。低压快脉冲与高压慢脉冲对反向恢复性能的影响可能差别不大。

c)晶闸管反向恢复性能参数的变化与载流子寿命的改变有密切关系。反向恢复期内多次重复脉冲电压作用下，晶闸管内部硅晶片中的晶格缺陷可能增多，从而产生更多的复合中心，使载流子复合率增加，载流子寿命缩短，进而导致晶闸管反向恢复性能退化。