晶闸管长雪崩特性测试参数优化

段鑫,黄攀,饶琼,杨钰

（西安派瑞功率半导体变流技术有限公司，陕西 西安 710077）

摘要：在《HVDC换流阀晶闸管雪崩特性测试技术》一文中对晶闸管雪崩特性的测试电路参数有着详细的计算，按照该参数设计的雪崩测试设备，在实际电路参数搭配中存在电路前端电压过高而大幅增加了设备成本的问题。本文针对电路中的参数搭配进行了仿真设计，并在实际电路中验证有效降低前端电压，大幅节省了设备成本。

关键词：长雪崩测试  参数优化 节约成本

1 概述

目前在我国特高压电网建设中，将以1000kV交流特高压输电为主形成特高压电网骨干网架，实现各大区电网的同步互联;±800kV特高压直流输电则主要用于远距离、中间无落点、无电压支撑的大功率输电工程。由于容量大，耐压高，对于换流阀的要求会更加严格，因此换流阀中的晶闸管不光要满足常规的技术参数，还需要满足比较特殊的雪崩电压的技术参数。此技术参数可以有效提高特高压直流的可靠性，降低元部件故障率。

雪崩特性参数是相对较为特殊的晶闸管测试参数，主要是针对特高压直流输电中晶闸管必须要满足雪崩特性参数的测试。研究晶闸管的雪崩特性，主要是研究多只晶闸管串联应用时，对操作波、陡波、雷电波冲击的耐受能力。因此晶闸管雪崩电压测试设备的研究就显得尤为重要。

2 晶闸管雪崩特性测试技术

2.1雪崩电压定义及原理

参照《GBT 20992-2007高压直流输电用普通晶闸管的一般要求》中反向雪崩电压的参数要求，在规定条件下，检验晶闸管反向雪崩电压额定值，波形及等效电路如下：

图1 雪崩电压波形

长雪崩ta为30%～90%的雪崩脉冲电压VRAL,标准波形要求ta=250μs；tb为50%的雪崩脉冲电压VRAL,标准波形要求ta=2500μs；

短雪崩ta为30%～90%的雪崩脉冲电压VRAL,标准波形要求ta=1.2μs；tb为50%的雪崩脉冲电压VRAL,标准波形要求tb=50μs；

图2 等效电路

C1具有近似恒流源性能的储能电容器

ST1具有快速开通特性的可关断电子开关

R02波前电阻

C2产生雪崩电压波形的电容器

R01与R02共同构成波尾电阻

L1抑制R01回路电流的电抗器

R03被测元件发生雪崩击穿时的限流电阻

DUT被测器件

根据图2雪崩电压等效电路，反向雪崩电压波形的产生依靠C1储能电容通过ST1触发后，C1将通过ST1和R02对C2进行充电，同时C1也将通过R01和L1进行放电，从而产生反向雪崩电压波形，这个过程将产生规定的电压上升沿及下降沿波形。C2上的充电电压达到最大值时，C1中储存的能量将通过R01、R02和L1进行释放，这个过程将产生规定的电压下降沿波形。通过调整R02或R01的阻值，可分别调整电压波形的上升时间或下降时间。

2.2 雪崩测试设备

如图3测试结构框图所示，本设备设计由高压整流电路、充电控制电路、长雪崩Av long单元、短雪崩Av/short单元及触发调节单元、取样及显示电路以及输入/输出切换电路组成。本设备由计算机控制，示波器采集波形，计算机设定各个参数，自动进行测试，测试结果及测试波形显示在计算机屏幕上，并自动存储测试数据。按下相应单元的“测试”按键后，根据设定由PLC自动切换长、短雪崩单元，在检测到“切换电路”的闭合信号正确后，“高压整流电路”开始输出高压并对该单元的储能电容器进行充电。当充电电压达到设定值时，“高压整流电路”停止输出高压，该单元的开关组件按照规定的时序被触发，储能电容器放电并根据回路中电阻、电容及电感的不同组合产生所需要的电压和电流波形，同时利用相应的电压和电流取样器件将测试结果在上位机和示波器上进行显示。完成测试后，该单元的“输入/输出切换电路”打开，准备下一次或其它单元的测试。

图3 测试结构框图

3测试实际问题

根据国外LEM公司设计的雪崩电压设备提供的经验，在长雪崩测试回路中的储能电容设定C1为235μF,波前电容C2为20μF，根据公式

波前电阻     （1）

波尾电阻     （2）

T1为长雪崩ta的时间，T2为长雪崩tb的时间，再结合长雪崩C1和C2电容值，可计算出相对应的波前电阻值和波尾理论电阻值，在调试过程中，选用高压片状电阻组合，优点是耐压高且可随意组合，在理论值的基础上选装多个阻值的电阻，因主回路中存在回路电感，实际需要阻值与理论值存在偏差，因此选用高压片状电阻灵活性很高，可根据实际波形调整阻值。

在实际测试结果中，发现长雪崩在测试过程中，前端电压与被测电压之间存在较大的压差，如图4波形可以看出，雪崩电压13.9kV时，前端支撑电容实际要充电至16.9kV，经反复测试发现是由于波尾电阻R01阻值很小且L01电感为微亨级电感量，C1储能电容给C2雪崩电压产生电容放电时，通过R01、L01快速放电，导致前端电压远高于雪崩电压。

图4 前端电压与雪崩电压

按此参数设计要增加设备的耐压需求，雪崩电压为15kV时，前端电压要升至20kV，这无疑增加了测试设备的耐压难度，不仅增加了设备的故障率，更极大的提高了设备成本。

4解决方案

为了改善这个问题，使用仿真软件按照上述电容、电阻、电感值搭建了长雪崩仿真电路，发现与实际波形基本相符，为了达到节约成本的目的，尝试减小长雪崩C2（雪崩电压产生电容）的容量值，并将L01电感增加至毫亨量级抑制电流突变，仿真后得到的仿真波形如图5所示：

图5 长雪崩仿真波形

由仿真波形可以看出在前端电压充电至16kV时，雪崩电压就可达到15kV。由此可以得出减小电容C2和波尾电感L1能很大程度的减小前后端的压差。

图5 长雪崩仿真波形

按照仿真电路中的各个参数，将电容C2的容量由原有的20μF降低为2μF，且将波尾电感L1增加至12mH的电感量后，实际测试如图6所示：

图6 改善后长雪崩实际波形

可以看出，前端支撑电压充电到15.8kV的时候，雪崩电压的峰值也达到了14.8kV，跟仿真结果基本一致。解决了前端电压与雪崩电压压降较大的问题后，通过调整波前电阻和波尾电阻即可得到长雪崩所需要的ta及tb的标准波形。

5结论

在仿真中过程中发现，储能电容C1和雪崩电压产生电容C2的比例是造成两者压差很大的根本原因。在上述实际参数搭配储能电容为235μF，雪崩产生电容为20μF时，储能电容的能量不足以支撑雪崩电容产生同等电压的雪崩波形。若是将储能电容再增加2倍甚至更多才会使压降减小趋近于0，电容耐压增高且容量增大会大幅增加雪崩测试设备的成本，经过参数优化后不仅没有对测试结果产生影响，同时大幅降低了设备成本，并且由于电压等级的下降也同时提高了设备可靠性。

参考文献

[1]《GBT 20992-2007高压直流输电用普通晶闸管的一般要求》

[2]《HVDC换流阀晶闸管雪崩特性测试技术》作者：李世平，任亚东