《动态均压缓冲电路引起的晶闸管电流应力计算方法》由会员分享，可在线阅读，更多相关《动态均压缓冲电路引起的晶闸管电流应力计算方法（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、动态均压缓冲电路引起的晶闸管电流应力计算方法仲崇山 1，杨仁刚 1，李成榕 2（1中国农业大学 信息与电气工程学院，北京市 海淀区 100083； 2高电压与电磁兼容北京市重点实验室(华北电力大学)，北京市 昌平区 102206）An Approach to Calculate Current Stress Caused by Dynamic Voltage-Sharing Snubber Circuit During Thyristor Turning-on Process ZHONG Chongshan1, YANG Rengang1, LI Chengrong2(1. College o
2、f Information and Electrical Engineering, China Agriculture University, Haidian District, Beijing 100083, China; 2. Beijing Key Laboratory of High Voltage the key parameter in the exponential voltage-source model of thyristor is influenced by many factors, in which the voltage plays the biggest role
3、.压措施。在晶闸管阀关断过程中须采用缓冲电路对 晶闸管两端电压上升率 du/dt 和可能出现的过电压3-7加以抑制 。 为解决上述问题， 在工程中普遍采用 的措施是： 在每只晶闸管两端并联阻容 R-C 串联动 态均压缓冲电路。 在晶闸管导通瞬间， 电容 C 与晶闸管之间形成 放电回路，将产生浪涌电流。正常工况下，晶闸管 开通前正向电压较低， 由 R-C 引起的电流幅值和电 流上升率 di/dt 一般比较小， 电流本身对晶闸管尚不 构成威胁。 非正常工况下， 如 HVDC 换流阀发生保护性触 发时，晶闸管在导通前两端出现很高的电压，C 被 充电到很高电压，此时晶闸管导通，R-C 可能产生 危险的
4、冲击电流，该电流具有较高的幅值和电流上 升率 di/dt，对晶闸管的安全和寿命构成威胁8。同 时，电流在电阻 R 上产生的瞬时功率损耗很高，可 能导致 R 热击穿。 晶闸管导通时， 由 R-C 引起的浪涌电流与其他 快速暂态电流叠加在一起，形成综合的开通电流应 力；R-C 引起的电流一般在 13 s 内上升到峰值。 杂散电容在晶闸管开通时形成的振荡电流，其第 1 个波峰和波谷也往往在该时间段内，在特定参数下 可能出现以下 2 种危险工况：电流幅值和电流上升 率 di/dt 过高； 振荡电流反向过零。 电流反向过零会 导致开通的晶闸管异常关断，引起换相失败。 综上所述，在晶闸管阀的设计工作中，需
5、要对 R-C 引起的电流应力及其波形进行准确的计算，现 有文献对于晶闸管大多数采取理想开关模型来等KEY WORDS: thyristor; dynamic voltage-sharing; snubber circuit; current stress摘要： 为精确计算动态均压缓冲电路引起的晶闸管开通电流 应力， 分析理想开关模型的缺陷， 通过正交实验研究晶闸管 开通指数电压源模型的影响因素。应用该指数电压源模型， 推导出开通电流应力的计算公式。并在仿真平台 PSCAD/ EMTDC 中应用指数电压源模型进行了仿真分析，结果表 明：理想开关模型不能客观、准确地反映该电流应力，应采 用指数电压
6、源模型进行计算； 影响该指数模型中的关键参数 的多种因素中，电压因素影响力最大。关键词：晶闸管；动态均压；缓冲电路；电流应力0引言高压晶闸管阀在高压直流(high voltage direct current，HVDC)输电和灵活交流输电系统(flexible AC transmission system，FACTS)中有着广泛的应 用，它一般由多只高压大功率晶闸管串联而成1-2。 不同晶闸管级之间的特性存在差异，这导致晶闸管的结果，本文对理想开关模型存在的缺陷进行了分 析，采用晶闸管指数电压源模型计算该电流应力， 对该种模型的影响因素进行了实验研究，同时给出 了开通电流的仿真和理论计算方法。
7、1 晶闸管理想开关模型的缺陷分析1.1 理想开关模型中 R-C 引起的电流应力计算在理想开关模型中，t=t0 时刻，晶闸管门极施 加触发信号，晶闸管两端电压立刻由 U0 下降到正 向导通压降 UT ，图 1(a) 为该模型的等效电路，图 1(b)为晶闸管两端的电压/电流波形。则电流密度会很高，致使该区域的结温急剧上升， 造成器件烧毁。因此，对于晶闸管而言，能承受的di/dt 有一个极限，为临界 di/dt11。 对于理想开关模型，晶闸管触发瞬间，电流突变，开通面积 S(t)=0，该时刻电流密度无穷大，这显然与实际不符，无法正确计算动态均压缓冲电路 引起的电流应力的风险。 实际上，晶闸管从正向
8、阻断到完全开通要经历延迟时间 t 、电流上升时间 t 和扩展时间 t 这 3 个drs 时段12， 图 2 为本文研究实验中的 1 组典型晶闸管开通实测波形，图中给出了上述时间的定义。 Cu, i, p电压 uC+ uU0 0.9U0触发 信号+RRUT (a) 等效电路瞬时功率 p=uii 0.1U0 0U0Uo/Rtrtdts 图 2 开通过程中电压、电流和功率变化曲线 Fig. 2 Voltage, current and power curves in turning-on process 在电流上升时间 tr 内，电压近似呈指数规律下降， 电流开始快速上升， 瞬时功率也达到较高水平，
9、 因此， 考察 tr 时间段内的电流应力更具有实际意义。 图 2 所示电流波形与理想开关模型得到的电流波形 存在较大差异。UTttt0t0(b) 电压/电流波形 图 1 晶闸管开通的理想开关模型及电压/电流波形 Fig. 1 Schematic diagram of ideal turn-on switch model for thyristor and waveforms of voltage and current 正 向导通压降 UT 与晶闸管导通前初始电压 U0相比一般可以忽略不计，因此在理想开关模型中， 晶闸管开通瞬间电流应力可以按照一阶 R-C 零输入 电路来计算8-10。晶闸管导
10、通电流 i(t)及电流变化率 di/dt 分别为晶闸管开通指数电压源模型及模型参数2 影响因素的实验研究2.1晶闸管开通指数电压源模型 晶闸管在开通过程中可近似等效为一个指数i(t ) = U 0 exp (t t0 ) (1)R di(t) = U 0RCexp (t t0 ) 13-14衰减的电压源 u(t)，即(2)u(t ) = U e t + UR2C dtRC(3)0T 1.2应用理想开关模型计算电流应力的缺陷 根据式(1)， 电流的最大值出现在晶闸管开始导 通时刻 t0，t=t0 时刻电流发生突变，电流变化率为 无穷大，如图 1(b)所示。当 tt0 时，电流开始下降， 式(2)
11、给出的电流变化率实际上是电流下降率， 并不 是电流上升率。电流从导通瞬间就突变到初始值并 开始下降，这与实际不符，当同时考虑该电流与杂 散电容引起的振荡电流来计算合成开通电流应力 时，该计算方法将对合成电流应力带来较大误差。 晶闸管开通过程中，导通面积扩展并不是瞬间 完成的，最初只有紧靠门极很小一部分的阴极区域 开通，随后初始导通面积 S(t)以一定速度扩展到整 个阴极面。 若初始导通面积过小， 电流上升率过大，U0 较高时，UT 可忽略不计。该指数模型以晶 闸管正向电压下降到 0.9U0 的时刻为计时起点 (t=0)， 即认为晶闸管两端电压在 t=0 时刻开始下降， t=时下降到 UT(本文
12、下述分析中令 UT=0)。式(3) 中是一个关键参数， 文献14指出可按式(4)计算， 该式中 tr 为图 2 电流波形所示的电流上升时间，即 = ln9/ tr(4)2.2晶闸管开通指数电压源模型中参数影响的实验研究1）实验方案。 根据本文的实验观测，参数受 多种因素影响， 并不是常数。本文设计了正交实验15-16研究晶闸管开通时以下 4 个因素对 的影响：1）晶闸管结温 t，u电流 itii将晶闸管置于恒温箱中 1 h 以上，使晶闸管 PN 结温度接近设定温度； 2） 开通前正向阻断电压 U0； 3） 均压缓冲电容 C；4）均压缓冲电阻 R。每个因素选 择 3 个水平，如表 1 所示。表
13、1 正交实验因素与水平Tab. 1 Factors and levels of the orthogonal experiment 方法。 2）实验结果分析。 对以上实验数据进行处理， 计算第 i 个因素、 第 j 个水平下的实验结果之和 Tij(i=1,2,3,4； j=1,2,3)， 并求 T ij 的平均值 K ij ，计算出各因素极差 R i = max(Kij)min(Kij)，数据处理结果如表 3 所示。表 3 正交实验数据处理结果Tab. 3 Processed data of the orthogonal experiment 温度 t/ 正向阻断电压 U0/V 电容 C/F
14、电阻 R/ 30 6050 1000.47 0.9420 3080 200 1.41 40 处理结果 t/ 电压 U0/V 电容 C/F 电阻 R/ Ti1Ti25.305.745.561.771.911.851.485.865.385.361.961.791.791.685.675.395.541.891.801.850.935.405.415.781.801.801.931.26实验接线如图 3 所示：将晶闸管充电到指定正 向电压后， 打开开关 S， 同时触发晶闸管， 通道 CH1 和 CH2 纪录波形。晶闸管试品为 1 200 V/200 A 晶 闸管；波形纪录仪为 Tektronix1
15、012B 双通道数字示 波器；电流测量采用阻值为 0.25 的分流器。STi3Ki1Ki2Ki3Ri由表 3 可以看出， 4 个因素对具有不同程度的影响，该实验表明了受多种因素影响，且影响程度不同：CH1触发电路RU Rt RR RC 0(5)源开通前正向阻断电压 U 的影响最大， R 和 C 这0CH22 个参数的影响相对比较小。因此，追加 1 组实验，研究电压对的影响，实验温度设置为 30，R=40 ，C=1.41 F，U0 在 20200 V 内变化，每个实验仍然重复 5 次， 试验结果如图 4 所示。 可以看出，随着电压升高，呈现逐渐总体缓慢下降趋势。图 3 实验接线 Fig. 3 S
16、chematic diagram of circuit connection in experiment 在参数 的获取上，通过瞬态高压采集装置，采集开通时电压下降波形，对该波形按照指数函数进行非线性拟合，即可得到参数。选取正交表 L9(34)安排实验，只需 9 次实验，正交表保证实验点在实验空间内均衡分布、整齐可 比，然而如果按照常规全面实验的方法，4 因素 3 水平需要进行 81 次实验。根据正交表确定的实验方案如表 2 所示，为保 证实验的一致性，并缩短实验时间，对 L9(34)表中 的实验顺序进行调整，将温度相同的 3 个实验相邻放在一起。每个实验重复 5 次，同一实验的多次实 验结果采取剔除极大、极小值后计算平均值的处理表 2
