张 鹏，曹鹏飞，王 涛，詹鸿博

应用研究

大功率晶闸管开通过程均压保护研究

张 鹏1，曹鹏飞1，王 涛2，詹鸿博2

(1. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2. 武汉长海电气科技开发有限公司，武汉 430064)

针对脉冲工况下，大功率晶闸管开通过程中面临的动态电压分布不均问题，首先从理论上分析了动态电压分配的函数表达式，总结了RC缓冲保护参数的选取依据。随后，搭建晶闸管开通过程中的动态模型，仿真得出了不同缓冲保护参数下，器件两端的电压波形，验证了理论分析的正确性。最终，提出了采用RC缓冲+MOV的保护方案，并对保护原理进行了理论分析。

晶闸管 脉冲 开通 均压

0 引言

大功率晶闸管拥有触发稳定、体积小、结构紧凑、通流能力强等优点，在脉冲功率技术领域中得到广泛应用。而在实际工程应用中，由于制造参数、杂散参数、压接工艺等因素影响，经常导致串联器件在开通过程中由于动态电压分配不均导致击穿现象[1]。

本文理论分析了脉冲大电流工况下晶闸管开通过程中的动态电压分配关系。然后搭建了反映晶闸管开通过程中的数学模型，仿真分析了不同保护方案的动态均压效果，并提出了采用缓冲+MOV保护的方案实现开通过程中晶闸管器件的可靠保护。

1 开通过程的动态电压分配理论分析

晶闸管开通过程中，当串联晶闸管器件由于开通时间不一致时，会造成后开通的阀片承受较高的电压。以采用sCs缓冲保护电路为例，假设其中一阀片开通最晚，如图1所示。图中，CC为外回路施加电压，T1代表先开通的阀片（一个或多个同时导通），T2是比T1延迟了Δd后开通的阀片，为回路电感。则在T1开通之后的Δd时间内，主回路上的电压大部分加在T2上，在原来U2=U/n（代表串联阀片数）的基础上叠加一个分量Δ。若Δ的值过大，有可能会使得T2上电压超过耐压或者d/d过大而损坏[2]。

图1 串晶闸管开通时的均压分布

当T1开通时，流过电感的电流和C上电压（U/n）不能突变，负载电流流入T2的ss均压回路，

采用动态均压参数S和S后，不均衡电压Δ由电阻S和电容S上的两部分电压组成：

将式（2）代入式（1），有

因Δd很小，则

从外部保护电路的角度考虑，增大缓冲电容s的均压效果不明显，影响反向恢复过程动态均压的主要因素是缓冲电阻s，其值越小，组件的均压效果越好。

2 开通过程的动态电压分配仿真分析

晶闸管的开通可以表示为电阻按照指数函数趋势下降的过程[3]。

其中0表示在开通电压水平下的电阻，表示时间常数。

晶闸管开通过程动态电压分配测试回路如图2所示，其中，脉冲电容=500 μF，调波电感=15 μH。同样在3个器件串联水平下进行测试。晶闸管组件T由T11、T12和T13三个器件串联压接而成。

图2 晶闸管组件T开通过程试验回路

在所示测试回路水平下，脉冲电容C预充电压c=10 kV，若不采取任何保护方案，晶闸管开通过程中电压变化波形如图3所示。

图3 无保护方案时，开通过程晶闸管各器件两端电压波形

开通过程，T13m=9.73 kV，T12m=4.53 kV，T11m=3.33 kV可知Δ21=1.2 V；Δ31=6.4 kV，严重的动态电压分配不均会导致T13过电压击穿。

2.1 RC缓冲参数对动态电压分配影响

在图2所示测试水平下，脉冲电容预充电压c=10 kV，采用ss缓冲保护的方案。在相同延迟设置Δd工况下，保持缓冲电容s=2 Ω，随着缓冲电阻s变化，开通过程中，组件T中各器件两端的电压变化如表1所示。

表1 随着缓冲电容Cs变化，开通过程各晶闸管电压变化

表中数据表明增大缓冲电容s能在一定水平上改善开通过程电压分配不均问题，但是随着s增大，效果越来越不明显。

相同测试水平下，脉冲电容预充电压c=10 kV，采用ss缓冲保护的方案。在上述相同延迟设置Δd工况下，保持缓冲电容s=1.25 μF，随着缓冲电阻s变化，开通过程中，各器件的电压变化如表4所示。

表2 随着缓冲电阻Rs变化，开通过程各晶闸管电压变化

表2中数据看出：随着缓冲电阻s减小，开通过程中电压分配不均问题得到显著改善。

由于阻容回路的存在，在阀片开通瞬间，均压电容s上电压将通过电阻R放电，在开通阀片中引起的电流变化率d/d，如图4所示。

图4 晶闸管器件导通时，RsCs保护放电回路

该过程中电流上升率：

高d/d开通是造成晶闸管损坏的原因主是热疲劳损坏。因此，缓冲电阻Rs也不能过小，否则会导致开通瞬间，晶闸管器件中电流上升率d/d过高，引起器件的热疲劳损坏。

2.2 RC缓冲+MOV保护对动态电压分配影响

图5 RC缓冲+压敏电阻保护方案

图5给出了缓冲+MOV保护方案，在相同测试条件下，脉冲电容预充电压c=10 kV，采用ss缓冲保护+压敏电阻保护的方案。在上述相同延迟设置工况下，s=1.25 μF，保持缓冲电容s=2Ω，压敏电阻开通电压T分别为3.4 kV、3.5 kV和3.6 kV，略高于每个器件的平均电压，残压m分别为：5.4 kV、5.6 kV和5.8 kV。开通过程中，组件T中各器件两端的电压表3所示。

表3 随着UTh变化，器件开通过程中电压峰值变化情况表

对比表1、表2和表3中数据可知：若压敏电阻的开通电压略高于串联器件的平均电压，则可有效将后开通的晶闸管两端的过电压被抑制在压敏电阻的残压水平以下。

3 结论

分析表明缓冲电阻s是影响晶闸管反向恢复过程动态电压分配的主要因素，减小缓冲电阻s能有效改善晶闸管反向恢复过程中电压分配不均问题。然而，过小的缓冲电阻s将导致晶闸管器件开通时产生很高的d/d，严重时可能导致器件的热击穿。

在ss保护方案基础上，引入压敏电阻保护后能有效改善开通过程中的电压分配不均，同时避免高d/d开通是造成晶闸管损坏的问题，是脉冲工况下串联应用的晶闸管有效的保护方案。

[1] 张西应, 任亚东, 唐柳生, 卢雪. 晶闸管触发与开通特性研究[C]//. 中国核科学技术进展报告（第四卷）——中国核学会2015年学术年会论文集第7册（计算物理分卷、核物理分卷、粒子加速器分卷、核聚变与等离子体物理分卷、脉冲功率技术及其应用分卷、辐射物理分卷）, 2015: 283-288.

[2] 薄鲁海, 晶闸管在脉冲功率电源中的应用研究[D]. 华中科技大学, 2009

[3] 王晨, 庄劲武, 张超, 徐国顺, 刘佳. 串联晶闸管在大脉冲电流下的开通过程研究[J].电机与控制学报, 2014, 18(03): 14-19. DOI:10.15938/ j.emc. 2014. 03.012.

[4] 仲崇山, 杨仁刚, 李成榕.动态均压缓冲电路引起的晶闸管电流应力计算方法[J]. 电网技术, 2011, 35(03):124-128.DOI:10.13335/j.1000-3673.pst.2011.03.006.

Research on voltage equalization protection during turn-on of high-power thyristor

Zhang Peng1, Cao Pengfei1, Wang Tao2, Zhan Hongbo2

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China；2. Wuhan Changhai Electrical Technology Development Co., Ltd., Wuhan 430064, China)

TN34

A

1003-4862（2022）11-0049-03

2022-05-07

张鹏(1983-)，男，高级工程师。研究方向：电力电子与电力传动。E-mail：1195468208@qq.com