脉冲大电流工况下晶闸管反向恢复过程建模研究

沙新乐，张桂林，李 蕊，彭定康

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

0 引言

脉冲功率技术起源于20世纪30年代，并于60年代之后得到飞速发展。目前该技术广泛应用于脉冲功率电源、核物理工程、X射线以及直流断路器等高新技术领域。晶闸管由于体积小，控制方便，通流大，寿命长等特点而作为开关元件，在脉冲功率系统中占有特殊的地位。近年来，随着耐受高di/dt的快速晶闸管、脉冲晶闸管的不断发展，已呈现出全面取代真空触发开关、火花开关等传统开关的趋势。

正向导通过程中，大量载流子存储在晶闸管的基区，导致当电流过零后，器件并不能立刻关断。需要经过反向恢复过程，将存储的载流子以反向电流的形式扫出，才能恢复反向阻断能力。该过程中，回路电压及感应电动势的叠加，往往会在晶闸管两端形成很高的过电压尖峰，是导致器件损坏的主要原因。建立晶闸管反向恢复过程的数学模型对于指导器件保护电路设计具有重要意义。文献[1]指出正向电流峰值增大是导致反向恢复电流峰值增大的主要原因。文献[2]指出晶闸管反向恢复过程各物理量均可拟合为关于关断电流变化率的函数。文献[4]通过仿真分析指出，结温、正向电流峰值IF和关断di/dt均会影响晶闸管的储存电荷从而影响反向恢复过程。这些研究很多是针对工作于稳态电流工况下的晶闸管器件，且研究过程未将各种影响因素分开考虑。

本文设计试验回路，对关断di/dt相同，正向电流峰值IF不同和正向电流峰值IF相同，关断di/dt不同这两种情况下晶闸管中的电流以及器件两端电压波形进行测量和分析，提出了一种能准确反映晶闸管反向恢复过程的双曲正割分段函数模型，并通过试验验证了该模型的准确性。

1 晶闸管反向恢复过程的试验探究

影响晶闸管反向恢复过程的因素主要包括：正向电流峰值、关断电流变化率、结温等。工作于脉冲工况下的晶闸管器件，工作频率很低，可以忽略结温的影响，只考虑正向电流峰值和关断电流变化率的影响。

为分别探究正向电流峰值IF和关断电流变化率 di/dt对晶闸管反向恢复过程中电流变化的影响，搭建试验电路如图1所示。试验过程中，调节电容C0的充电电压，可以产生不同的正向脉冲电流峰值IF；调节电容C1的充电电压，可以调节晶闸管T1的关断电流变化率di/dt。

图1 试验回路拓扑结构

关断电流变化率di/dt相同，正向IF电流峰值不同和正向电流峰值IF相同，关断电流变化率di/dt不同两种情况下，晶闸管反向恢复过程中的电流变化情况分别如图2和图3所示。

图2 IF不同的晶闸管反向恢复过程电流波形

图3 关断di/dt不同的晶闸管反向恢复电流波形

由图2看出，在关断电流变化率di/dt相同，正向电流峰值IF不同的工况下，晶闸管反向恢复过程中的电流曲线基本重合。图3表明，在正向电流峰值保持一定情况下，随着关断电流变化率di/dt增大，反向恢复电流峰值呈逐渐增大趋势。因此，当正向导通电流峰值IF达到一定值后，载流子的存储趋于饱和，对反向恢复过程中电流变化无明显影响，关断电流变化率di/dt才是影响晶闸管反向恢复过程各参数变化的主要因素。

2 基于双曲正割函数的晶闸管模型

由图2以及图3中电流变化波形可以看出。反向恢复过程中，电流先近似以关断电流变化率di/dt反向上升到反向恢复电流峰值IRM；然后电流开始下降，电流变化率呈现出先从零开始逐渐增大，达到最大值后逐渐减小，最终在电流下降到反向漏电流的时候，再次降为零的趋势。可以采用分段函数描述晶闸管中电流变化情况，函数的数学表达式见式(1)。

2.1 模型参数提取

保持正向电流峰值相同，不同关断电流变化率di/dt对应的电流反向上升时间ts，下降时间tf，反向恢复电荷Qrr等参数如表1所示。

表1 IF相同，关断di/dt不同的反向恢复参数变化情况

据此拟合电流反向上升时间ts关于关断电流变化率di/dt的函数见式（2）。

在反向恢复电流下降阶段，工程中，通常以反向恢复电流峰值IRM与1/4IRM连线与X轴的交点表示反向恢复过程结束的时刻。可得：

晶闸管反向恢复过程中电流的变化情况可以近似等效为三角形，则得：

将（6）带入（4）求得：

其中，拟合Qrr关于关断电流变化率的函数表达式见式(8)。

2.2 模型仿真与试验验证

在 PSCAD软件中搭建晶闸管反向恢复过程中的分段函数模型。利用图4所示LC脉冲测试回路，在改变晶闸管并联保护参数Cs、U、Rs四种工况下，通过仿真和试验对比，测试模型的精度，其中电容C=500 μF，电感L=17 μH。

图4 LC脉冲测试回路

反向恢复过程晶闸管中电流以及器件两端电压分别如图5（a）（b）（c）（d）所示。

图5 不同工况下的仿真与试验波形

通过图5中电流以及电压波形以及表4中电流与电压峰值可以看出，在4种不同测试工况下，仿真波形和试验波形基本吻合，表明该模型能够有效模拟出晶闸管反向恢复过程中电流和电压的变化趋势。

表4 不同工况下，IRM和URM的试验值与仿真值

3 结论

本文通过搭建试验回路分别探究了脉冲大电流工况下正向电流峰值IF和关断电流变化率di/dt对晶闸管反向恢复过程中电流变化情况的影响，得出结论如下：

1）脉冲大电流工况下，正向导通过程中载流子的存储已经区于饱和，反向恢复过程与正向电流峰值IF基本无关；

2）关断电流变化率di/dt是影响脉冲大电流工况下晶闸管反向恢复过程电流变化的主要因素，反向恢复电流峰值IRM，反向恢复电荷Qrr，随着关断电流变化率di/dt增加而呈线性增大。

在此基础上提出双曲正割分段函数模型能有效模拟出晶闸管反向恢复过程中电流和电压的变化趋势，参数提取简单，实用性广，对于晶闸管保护参数设计具有一定的指导意义。