晶闸管反向恢复特性研究及器件优化

随着大功率晶闸管逐步应用到超工频、高脉冲等工况,器件的反向恢复过程失效成为突出问题.在此使用SILVACO TCAD仿真软件进行反向恢复过程机理和晶闸管结构的关系探讨.通过调整掺杂浓度和区域形成深阱结构,实现了器件的通态损耗和恢复功率均衡,及反向恢复特性优化.并针对改进结构器件进行对比测试,改进后的器件具有很好的软度因子、更短的反向恢复时间、更小的反向恢复电流以及更小的恢复损耗.     

串联晶闸管反向恢复暂态过程的研究

随着柔性交流输电和高压直流输电设备在电力系统中的应用越来越广泛,由晶闸管主要组成的高电压大电流电子开关越来越成为人们关注的对象。虽然有不少文献对晶闸管模型研究及其外围电路设计进行了介绍,但有关串联晶闸管反向恢复暂态过程的研究还未见报道。文章在晶闸管反向恢复电流指数函数数学模型的基础之上,对串联的2个晶闸管的反向恢复暂态过程进行了暂态分析、数学推导以及仿真等研究。计算和仿真结果表明,暂态分析是正确的,在一定的精度范围内数学计算公式的假设也是合理的。     

脉冲作用下晶闸管反向恢复性能退化研究

为了研究反向恢复期间重复脉冲电压下晶闸管反向恢复性能的变化规律,建立了脉冲电压下晶闸管反向恢复性能退化特性实验平台,实验研究了脉冲电压波形和脉冲施加时刻参数对晶闸管反向恢复过程的影响。结果表明,反向恢复期内经过2 500次脉冲电压冲击后,晶闸管反向恢复性能明显改变,主要表现有:反向恢复时间缩短,反向恢复电荷减少,恢复软度降低;脉冲电压幅度越大,脉冲延迟越短,脉冲电压对反向恢复性能的影响越大;晶闸管反向恢复性能参数的变化与载流子寿命的变化密切相关,即反向恢复期内在脉冲电压重复作用下,载流子复合率增加,其寿命缩短,导致晶闸管反向恢复性能退化。     

反向恢复期脉冲作用下高压晶闸管失效分析

本文搭建了高压晶闸管反向恢复期脉冲作用实验平台与特性参数测试平台,研究了高压晶闸管在反向恢复期不同阶段遭受脉冲冲击过程中的特性参数变化规律,并对退化和失效晶闸管拆片分析,结果表明：反向恢复期脉冲作用下高压晶闸管退化或失效表现为阻断能力的退化或丧失,由此引起晶闸管漏电流剧增,漏电流可作为表征晶闸管状态变化的特征参量;反向恢复期初期和中期冲击失效器件芯片上可见明显击穿点;反向恢复期中期冲击阻断能力退化芯片上可见热应力作用形成的圆斑;反向恢复期末期冲击失效器件可在芯片边缘与绝缘橡胶相接处见雪崩击穿闪痕。#$NL关键词：高压晶闸管; 电压脉冲; 反向恢复期; 失效分析#$NL中图分类号：TM461.4     

脉冲电压作用下晶闸管反向恢复期损伤效应与机理分析EI北大核心CSCD

掌握晶闸管反向恢复期损伤机理对晶闸管保护设计和探索反向恢复过程相关机理具有重要意义。为研究高压晶闸管在反向恢复期内脉冲作用下的损伤机理,分别采用脉冲试验法、软件仿真法以及芯片失效分析法,对晶闸管进行了反向恢复期内脉冲损伤试验,建立晶闸管器件–电路模型,对反向恢复期内脉冲作用过程进行数值模拟,并通过芯片失效现象分析其失效机理。结果表明,正常门极触发导通和反向恢复期内二次导通均在晶闸管靠近门极处的阴极边缘形成初始导通通道,并通过载流子的扩散拓宽通道,其中后者的电流密度较大,且由于反向恢复期最后关闭区域存在残留的载流子,在这个区域能够形成替代通道;反向恢复期内由于晶闸管门极区域电流密度过大、电流上升率过高,门极附近一带容易烧毁,表明晶闸管反向恢复期脉冲损伤属于热致损伤。     

功率二极管反向恢复特性的仿真研究

在国际电力电子领域对功率二极管模型研究成果的基础上，利用计算机仿真对功率二极管的反向恢复过程和特性进行了较深入、系统的研究，得出了一些有实际意义的结论。     

高压直流晶闸管阀故障电流下反向电压特性的分析

为分析高压直流晶闸管阀故障电流下的反向电压特性,采用电路拓扑模型分析法,建立了故障电流下反向分析的数学模型,并建立相应的试验模型对分析方法进行验证。对晶闸管结温、阻尼电阻电容参数、电流变化率和正向电流4个参数的影响进行了分析,并用数学模型进行仿真计算。分析结果表明:晶闸管结温、电流变化率和正向电流均可导致反向恢复电荷的改变,从而对反向恢复电压造成影响;阻尼电阻电容一定时,有唯一阻尼电阻使反向电压最小。结果验证了该仿真分析方法的可行性,且具有较高的精确度。     

高压大功率晶闸管反向恢复特性动态模型

晶闸管反向恢复过程模型的精确性,对以晶闸管为开关器件的电力电子设备的电气性能研究和设计具有重要影响。在分析晶闸管阻断恢复过程中载流子运动特性和PN结变化规律的基础上,结合晶闸管实际工作电路,提出了用描述动植物自然生长过程的Logistic曲线来建立晶闸管反向恢复过程的非线性电阻模型,弥补了传统的晶闸管反向恢复电流指数模型和双曲正割模型的不足。仿真与实验结果的对比证明了所提模型的正确性和精确性。     

晶闸管换流阀冲击电压特性研究

以灵宝背靠背高压直流输电用120kV光控晶闸管换流阀为研究对象,应用现代电路理论的状态方程分析方法,求解了单阀在冲击电压激励下阀内电抗器和晶闸管的电压特性,并给出了仿真结果。试验结果表明,仿真研究是成功的。     

Capacitance reduction of pulse voltage generator by using series voltage compensator

This paper proposes a new configuration of a pulse voltage generator, which can be applied to the klystron modulator for a large‐scale accelerator. The voltage generator consists of a conventional capacitor discharge type pulse voltage generator and series cascaded voltage compensators. By using the voltage compensators, higher voltage fluctuation of the bank capacitor is acceptable; therefore, its capacitance and the dimensions of the capacitors can be low. This paper discusses the control strategy of the voltage compensators and thyristors for DC voltage supply for the highly fluctuating capacitor voltage, and demonstrates this by a laboratory‐scale experimental setup.     

基于单片机的低压脉冲发生器研制

阐述了一种基于单片机控制的,用于电力电缆短路和断线故障测距的低压脉冲发生器.利用单片机的I/O口产生一定宽度和频率的脉冲,用此脉冲控制触发电路,产生相应宽度和频率的触发脉冲,此触发脉冲又触发具有快速开断性能的MOSFET产生相应的脉冲,通过脉冲变压器耦合输出到测试电缆上.所实现的低压脉冲发生器的脉冲宽度和周期可通过编程调节.该低压脉冲发生器的最窄脉冲宽度较小,可达到0.14μs;频率采用常用的100 Hz,也可灵活调整;电压幅值可达300 V以上,可根据不同情况调整电压幅值,以便检测不同长度的电缆;阻抗可调节,以匹配不同性能的电缆.     

实用化高压脉冲电源的研制与改进

提出了一种基于半导体断路开关(SOS)和两级磁脉冲压缩网络的高压脉冲电源,电源在负载为50Ω时脉冲电压峰值和脉冲宽度为51 k V和120 ns,但在负载为反应器时仅为16 k V和12μs。探讨了电源和反应器之间的匹配,以利于提高电源能量利用效率。根据将反应器整体看成是一级电容的匹配思路,设计出了一级磁压缩电源和两级磁压缩电源与反应器进行匹配。从实验结果可以看出,改进后的电源对大型反应器的效果非常好,负载为反应器时,一级磁压缩电源负载脉冲电压峰值和脉冲宽度为23 k V和6μs,两级磁压缩电源负载脉冲电压峰值和脉冲宽度为30 k V和1.2μs。     

关于快速脉冲充电技术的研究

直流恒压恒流蓄电池充电设备容易造成电池过充或充电不足,且充电时间较长。本文简述了快速脉冲充电技术的理论基础,并根据需要设计了一套能有效防止过充和欠充的充电系统。     

基于晶闸管开关的高重频脉冲泄放研究

高重频脉冲功率源是脉冲功率源技术未来发展的方向,脉冲电容器放电结束后依旧会残留大量电能,出于安全考虑,需要进行残能泄放。为了实现脉冲功率源的高重频放电技术,必须对脉冲电容器上的残能进行快速泄放。传统的机械开关导通响应时间长,开通时间不一致,不利于多模块脉冲功率源残能的快速泄放,因而采用快速晶闸管替代传统的机械泄放开关。通过计算分析给出了在实际实验中泄放电阻参数选择;设计了一种新型实现晶闸管开关状态监测功能的硬件电路,弥补了软件检测有时间延迟的缺点。结合实际应用给出了监测电路的设计原理与器件参数。测试结果表明,此方案可行,在0.5 s内电容器可以完成残能泄放,为高重频技术的实现奠定了基础。     

高压纳秒电磁脉冲衰减器的研制

随着电磁脉冲技术的发展,电磁脉冲前沿越来越快,峰值越来越高。针对这些特点,为了减小高压纳秒电磁脉冲传输、衰减过程中电磁波的反射,在输出端得到理想的电磁脉冲波形,设计了一种高压纳秒电磁脉冲衰减器,采用高频电磁场仿真软件HFSS建模仿真,分析驻波比,优化结构尺寸。根据仿真及优化结果,制作了衰减量为30%和40%的衰减器样机。实验表明样机衰减量误差小,传输性能好,可对上升时间2ns左右,峰值小于40kV的电磁脉冲实现有效衰减。     

高压晶闸管换流阀外水冷系统分析

高压晶闸管换流阀是高压直流输电的核心设备之一,外水冷系统是其重要的一环.结合工作实践,在分析换流阀冷却系统换热工作原理的基础上,依据环境、水质及处理条件,运用换热器计算软件HTRI对外水冷系统空气冷却器进行设计,并开展相应的冬季换流阀停运防冻措施研究,提出了添加防冻剂、设置加热器设备以及排空冷却介质等预防措施,以避免装置出现冻结现象,保证换流站高压晶闸管换流阀高效、安全运行.     

基于参数协调的可控相间功率控制器调节特性研究

研究了可控相间功率控制器(TCIPC)的基本结构和数学模型,通过控制晶闸管触发角等效调节相间功率控制器的基本参数,从而协调输出功率,其中,通过控制晶闸管触发延迟角等效地改变电感支路的电抗参数,通过晶闸管控制投切不同组数的电容器等效地改变电容支路的电容参数.基于简化模型绘制出TCIPC功率P-Q运行曲线图,对参数协调下的TCIPC调节特性进行研究.以实例验证了由带TCIPC联络线进行交流弱联系的两侧电网在相位相对滑移时,可以通过协调TCIPC的等效参数控制联络线传输的功率,避免有功功率大幅波动,并保证端口的电压质量,有效地缓解了常规IPC可能出现的过电压问题.     

诱导触发型气体间隙开关快速绝缘恢复特性研究

气体间隙开关结构简单、成本低,在电力系统中应用前景良好,但绝缘恢复特性研究尚少。为此,本文采用“双脉冲法”研究开关间隙、触发介质气压及其种类对气体开关绝缘恢复特性的影响规律。结果表明：喷射等离子体诱导型气体间隙开关绝缘恢复经历过渡期、f快速恢复期和饱和期3个阶段,饱和期的持续时间远大于前两阶段之和,且在快速恢复期无“平台现象”出现;减小开关间隙距离,气体开关绝缘恢复速率渐进增大,其绝缘基本恢复时间（绝缘恢复系数RU>90%）可降低50%;气压对气体开关绝缘恢复影响显著,对绝缘恢复过程的影响特性存在差异,增大气压会减缓气体开关的绝缘恢复过程,0.1 MPa~0.3 MPa压缩干燥空气中,气体间隙开关绝缘基本恢复时间对应11 ms~40ms;强电负性SF6对气体开关绝缘恢复速率具有明显增强作用,其绝缘恢复速率接近于空气中的4倍。研究结果可为气体间隙开关快速绝缘恢复技术提供理论指导。