高压雷击测试用二极管阀串的研制

唐柳生 孙文伟 石 铿 曾文彬

株洲中车时代半导体有限公司 湖南 株洲412001

1 绪论

高压雷击测试是工业设备非常重要的一项测试,很多设备系统特别是户外装置都有该项测试要求,从而催生了高压雷击测试装置的研制。高压雷击测试需要雷电波发生器,为了得到合乎标准要求的雷电波形,需要使用大功率二极管器件[1]。

本文介绍高压雷击测试用二极管阀串的电气、结构、测控系统的设计原理、方法和实验,难点在于高压绝缘设计、和状态反馈系统的隔离采集和数字通信的抗电磁干扰设计。

2 输入分析

2.1 仿真与工况实测 高压雷电波发生装置在放电时刻,其原理可以简化等效为图所示。电容C通过球隙开关S对负载RL放电,为了避免产生电磁振荡,必须用二极管D 进行续流,从而得到通过负载的雷电波电压电流。其电路拓扑如图1所示。

通过对图1仿真得到二极管的电流波形得到负载RL或二极管D上的峰值电流为230k A,峰值电流的10%-10%宽度约为1 ms,波形如图2。[2]

为了简化计算,我们只计算二极管通态的发热,可以使用典型的压降计算模型来计算:

2.2 通流热效应分析 使用有限元仿真软件,输入二极管的压降模型参数,仿真得到芯片结温度变化。这里使用的是ZPD 6100-55器件。温升最高在1 ms末,达到87.61℃,集中在PN结上,最高温度点的温度变化如图4,可见这种工况在0.1s末,芯片结温基本回到了初始温度。[3]

按照以往案例的经验,仿真瞬态结温Tj在200℃以内都可以认为器件满足瞬态工作要求,这是按照失效统计验证得到的方法。如此,ΔTmax=

87.6 1℃,如环境温度在0～40℃,则结温处于正常范围内。

3 电气与结构

5.5 k V的二极管15只为一组,4组再串联,即总共60只器件串联,总反向不重复峰值电压达到330k V。堆叠结构的设计可实现较小体积的要求。

4 测控系统设计

为了知道在二极管阀串的运行过程中是否有部分二极管失效,我们要设计状态测控系统。每只二极管都配置了一个RC吸收电路、一个二极管状态检测反馈电路。通过耦合效应,取能电路从高压取得电能并驱动激光二极管发光,该路光信号通过光纤传送到控制板,并由CPLD在对60路输入信号采样。

运行中由于雷电电磁场的影响,存在严重的电弧电磁干扰,频谱主要在20 M-500 MHz范围内分布[4],本例中采取干扰点复位和采样避开的原理实现测控系统抗干扰[8]。

图2 控制器采样与通信原理

控制核心芯片为CPLD,其采样编制成数代表60个二极管的“好”(0)、“坏”(1),加上通讯校验位4bit,共64bit。

5 整体性能测验

5.1 二极管电压实验 在实际180k V电压下测试,二极管组件配合系统成功运行满负荷10次无故障。

5.2 测控功能实验 可以看到控制器发出的串口RNZ编码发送了出来[6],上位机界面显示二极管状态反馈信号,如图3所示,拔掉2只二极管的状态反馈光纤,可以看到相应的二极管反馈位显示为红色,说明系统可以正确判断二极管是否具备正常反馈信号。

图3 拔掉2个二极管信号试验中上位机显示

6 结论

二极管的高压绝缘设计应该留充分的裕量,本设计中创新的采用了单组封闭式设计,从而实现整体的绝缘设计。

二极管的电流计算可以通过二极管的RT模型计算出其发热量以及某时刻的结温升。

二极管的测控采用了数字电路,利用CPLD 对二极管状态反馈信号采集并编制成串口RNZ数字信号传送给上位机。