脈沖電壓作用下晶閘管反向恢復(fù)期損傷效應(yīng)與機(jī)理分析
發(fā)布時(shí)間：2020-12-12 07:54
掌握晶閘管反向恢復(fù)期損傷機(jī)理對(duì)晶閘管保護(hù)設(shè)計(jì)和探索反向恢復(fù)過程相關(guān)機(jī)理具有重要意義。為研究高壓晶閘管在反向恢復(fù)期內(nèi)脈沖作用下的損傷機(jī)理,分別采用脈沖試驗(yàn)法、軟件仿真法以及芯片失效分析法,對(duì)晶閘管進(jìn)行了反向恢復(fù)期內(nèi)脈沖損傷試驗(yàn),建立晶閘管器件–電路模型,對(duì)反向恢復(fù)期內(nèi)脈沖作用過程進(jìn)行數(shù)值模擬,并通過芯片失效現(xiàn)象分析其失效機(jī)理。結(jié)果表明,正常門極觸發(fā)導(dǎo)通和反向恢復(fù)期內(nèi)二次導(dǎo)通均在晶閘管靠近門極處的陰極邊緣形成初始導(dǎo)通通道,并通過載流子的擴(kuò)散拓寬通道,其中后者的電流密度較大,且由于反向恢復(fù)期最后關(guān)閉區(qū)域存在殘留的載流子,在這個(gè)區(qū)域能夠形成替代通道;反向恢復(fù)期內(nèi)由于晶閘管門極區(qū)域電流密度過大、電流上升率過高,門極附近一帶容易燒毀,表明晶閘管反向恢復(fù)期脈沖損傷屬于熱致?lián)p傷。
【文章來源】：電網(wǎng)技術(shù). 2020年07期 第2794-2800頁 北大核心
【文章頁數(shù)】：7 頁
【部分圖文】：
晶閘管損傷試驗(yàn)裝置示意圖
實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)脈沖電壓峰值Up提高到2.35kV時(shí)，試品被擊穿。在這個(gè)過程中，試品的電流和電壓波形如圖3所示。試品被擊穿之后，正向電流迅速增大，電流峰值達(dá)到2kA，而電壓迅速跌落。在電流振蕩過程中，回路電感感應(yīng)出反向恢復(fù)電壓尖峰。隨后電壓和電流逐漸衰減為零，器件喪失電壓阻斷能力。此時(shí)測(cè)量試品靜態(tài)伏安特性。發(fā)現(xiàn)其正反向均被擊穿，器件失效。并且同組測(cè)試的試品均在2.35 kV左右被擊穿。需要指出的是，在Up=2.35kV之前，試品在反向恢復(fù)期內(nèi)均未發(fā)生二次導(dǎo)通，且電壓阻斷能力良好。然而廠家給出的該試品標(biāo)稱電壓僅為1.8kV，說明晶閘管器件電壓耐受裕量較大。3 仿真結(jié)果與分析
本研究采用西安派瑞公司生產(chǎn)的1.8 kV/500A壓接式高壓大功率晶閘管，由于其結(jié)構(gòu)與實(shí)際工程中所用器件相同，因此，研究結(jié)論具有一定參考價(jià)值。以規(guī)格為1.8 kV/500A的晶閘管作為參考，建立晶閘管徑向切面的二維物理模型。晶閘管PNPN結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中：x軸正向?yàn)榫чl管徑向；y軸正向?yàn)榫чl管軸向。由于器件結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，圖中僅展示晶閘管的右半部分。設(shè)定器件基本物理參數(shù)如下：截面高度為400μm，寬度為16000μm。N-基區(qū)采用均勻分布模擬摻雜，摻雜濃度為7×1013/cm3，寬度260μm。其余區(qū)域通過擴(kuò)散形成，采用高斯分布模擬摻雜。為了使晶閘管在正反2個(gè)方向均有較高的阻斷電壓[19-20],PN結(jié)J1和J3均設(shè)計(jì)為高濃度梯度的緩變結(jié)，其中P+基區(qū)表面摻雜濃度為5×1017/cm3，結(jié)深40μm;P基區(qū)表面摻雜濃度為3×1016/cm3，結(jié)深70μm;P+陽極區(qū)表面摻雜濃度為5×1019/cm3，結(jié)深20μm;P陽極區(qū)表面摻雜濃度為3×1016/cm3，結(jié)深70μm。N+陰極區(qū)表面摻雜濃度為1.5×1020/cm3，結(jié)深20μm。結(jié)合晶閘管PNPN結(jié)構(gòu)，使用有限元方法構(gòu)建晶閘管的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其中摻雜濃度梯度較大區(qū)域的網(wǎng)格更為密集。網(wǎng)格建好后，對(duì)晶閘管進(jìn)行摻雜。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]考慮多因素影響的換相失敗預(yù)測(cè)與識(shí)別方法[J]. 蔡文瑞,楊國生,杜丁香,王興國. 電網(wǎng)技術(shù). 2019(10)
[2]晶閘管旁路開關(guān)在UPFC中的應(yīng)用[J]. 周啟文,丁峰峰,潘磊,方太勛. 電力工程技術(shù). 2019(01)
[3]高壓直流輸電系統(tǒng)換相失敗影響因素研究綜述[J]. 湯奕,鄭晨一. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào). 2019(02)
[4]HVDC開路狀態(tài)下?lián)Q流閥控制設(shè)備誤發(fā)保護(hù)性觸發(fā)故障原因分析[J]. 吳晉波,熊尚峰,陳剛,李剛,劉海峰,汪宵飛. 電網(wǎng)技術(shù). 2018(03)
[5]中歐高壓直流電網(wǎng)技術(shù)論壇綜述[J]. 安婷,Bjarne Andersen,Norman MacLeod,王偉男. 電網(wǎng)技術(shù). 2017(08)
[6]±800kV特高壓直流工程換流閥故障分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J]. 王華鋒,林志光,張海峰,鄭林,楊樹森,宋林偉. 高電壓技術(shù). 2017(01)
[7]高壓晶閘管換流閥電控型和光控型晶閘管反向恢復(fù)期的不同保護(hù)策略[J]. 茍銳鋒,馬振軍. 高電壓技術(shù). 2016(12)
[8]高壓直流輸電換流閥晶閘管級(jí)單元綜合測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 劉隆晨,岳珂,龐磊,張星海,李亞偉,張喬根. 電網(wǎng)技術(shù). 2016(03)
[9]特高壓直流輸電的實(shí)踐和分析[J]. 饒宏,張東輝,趙曉斌,郭琦. 高電壓技術(shù). 2015(08)
[10]兩種特高壓直流輸電用晶閘管控制單元工作原理分析對(duì)比[J]. 任小靜,王瀟,劉飛超,王康. 高壓電器. 2015(07)
本文編號(hào)：2912139
【文章來源】：電網(wǎng)技術(shù). 2020年07期 第2794-2800頁 北大核心
【文章頁數(shù)】：7 頁
【部分圖文】：
晶閘管損傷試驗(yàn)裝置示意圖
實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)脈沖電壓峰值Up提高到2.35kV時(shí)，試品被擊穿。在這個(gè)過程中，試品的電流和電壓波形如圖3所示。試品被擊穿之后，正向電流迅速增大，電流峰值達(dá)到2kA，而電壓迅速跌落。在電流振蕩過程中，回路電感感應(yīng)出反向恢復(fù)電壓尖峰。隨后電壓和電流逐漸衰減為零，器件喪失電壓阻斷能力。此時(shí)測(cè)量試品靜態(tài)伏安特性。發(fā)現(xiàn)其正反向均被擊穿，器件失效。并且同組測(cè)試的試品均在2.35 kV左右被擊穿。需要指出的是，在Up=2.35kV之前，試品在反向恢復(fù)期內(nèi)均未發(fā)生二次導(dǎo)通，且電壓阻斷能力良好。然而廠家給出的該試品標(biāo)稱電壓僅為1.8kV，說明晶閘管器件電壓耐受裕量較大。3 仿真結(jié)果與分析
本研究采用西安派瑞公司生產(chǎn)的1.8 kV/500A壓接式高壓大功率晶閘管，由于其結(jié)構(gòu)與實(shí)際工程中所用器件相同，因此，研究結(jié)論具有一定參考價(jià)值。以規(guī)格為1.8 kV/500A的晶閘管作為參考，建立晶閘管徑向切面的二維物理模型。晶閘管PNPN結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中：x軸正向?yàn)榫чl管徑向；y軸正向?yàn)榫чl管軸向。由于器件結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，圖中僅展示晶閘管的右半部分。設(shè)定器件基本物理參數(shù)如下：截面高度為400μm，寬度為16000μm。N-基區(qū)采用均勻分布模擬摻雜，摻雜濃度為7×1013/cm3，寬度260μm。其余區(qū)域通過擴(kuò)散形成，采用高斯分布模擬摻雜。為了使晶閘管在正反2個(gè)方向均有較高的阻斷電壓[19-20],PN結(jié)J1和J3均設(shè)計(jì)為高濃度梯度的緩變結(jié)，其中P+基區(qū)表面摻雜濃度為5×1017/cm3，結(jié)深40μm;P基區(qū)表面摻雜濃度為3×1016/cm3，結(jié)深70μm;P+陽極區(qū)表面摻雜濃度為5×1019/cm3，結(jié)深20μm;P陽極區(qū)表面摻雜濃度為3×1016/cm3，結(jié)深70μm。N+陰極區(qū)表面摻雜濃度為1.5×1020/cm3，結(jié)深20μm。結(jié)合晶閘管PNPN結(jié)構(gòu)，使用有限元方法構(gòu)建晶閘管的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其中摻雜濃度梯度較大區(qū)域的網(wǎng)格更為密集。網(wǎng)格建好后，對(duì)晶閘管進(jìn)行摻雜。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]考慮多因素影響的換相失敗預(yù)測(cè)與識(shí)別方法[J]. 蔡文瑞,楊國生,杜丁香,王興國. 電網(wǎng)技術(shù). 2019(10)
[2]晶閘管旁路開關(guān)在UPFC中的應(yīng)用[J]. 周啟文,丁峰峰,潘磊,方太勛. 電力工程技術(shù). 2019(01)
[3]高壓直流輸電系統(tǒng)換相失敗影響因素研究綜述[J]. 湯奕,鄭晨一. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào). 2019(02)
[4]HVDC開路狀態(tài)下?lián)Q流閥控制設(shè)備誤發(fā)保護(hù)性觸發(fā)故障原因分析[J]. 吳晉波,熊尚峰,陳剛,李剛,劉海峰,汪宵飛. 電網(wǎng)技術(shù). 2018(03)
[5]中歐高壓直流電網(wǎng)技術(shù)論壇綜述[J]. 安婷,Bjarne Andersen,Norman MacLeod,王偉男. 電網(wǎng)技術(shù). 2017(08)
[6]±800kV特高壓直流工程換流閥故障分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J]. 王華鋒,林志光,張海峰,鄭林,楊樹森,宋林偉. 高電壓技術(shù). 2017(01)
[7]高壓晶閘管換流閥電控型和光控型晶閘管反向恢復(fù)期的不同保護(hù)策略[J]. 茍銳鋒,馬振軍. 高電壓技術(shù). 2016(12)
[8]高壓直流輸電換流閥晶閘管級(jí)單元綜合測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 劉隆晨,岳珂,龐磊,張星海,李亞偉,張喬根. 電網(wǎng)技術(shù). 2016(03)
[9]特高壓直流輸電的實(shí)踐和分析[J]. 饒宏,張東輝,趙曉斌,郭琦. 高電壓技術(shù). 2015(08)
[10]兩種特高壓直流輸電用晶閘管控制單元工作原理分析對(duì)比[J]. 任小靜,王瀟,劉飛超,王康. 高壓電器. 2015(07)
本文編號(hào)：2912139
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