脈沖電壓作用下晶閘管反向恢復期損傷效應與機理分析
發(fā)布時間：2020-12-12 07:54
掌握晶閘管反向恢復期損傷機理對晶閘管保護設計和探索反向恢復過程相關機理具有重要意義。為研究高壓晶閘管在反向恢復期內脈沖作用下的損傷機理,分別采用脈沖試驗法、軟件仿真法以及芯片失效分析法,對晶閘管進行了反向恢復期內脈沖損傷試驗,建立晶閘管器件–電路模型,對反向恢復期內脈沖作用過程進行數值模擬,并通過芯片失效現象分析其失效機理。結果表明,正常門極觸發(fā)導通和反向恢復期內二次導通均在晶閘管靠近門極處的陰極邊緣形成初始導通通道,并通過載流子的擴散拓寬通道,其中后者的電流密度較大,且由于反向恢復期最后關閉區(qū)域存在殘留的載流子,在這個區(qū)域能夠形成替代通道;反向恢復期內由于晶閘管門極區(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期脈沖損傷屬于熱致損傷。
【文章來源】：電網技術. 2020年07期 第2794-2800頁 北大核心
【文章頁數】：7 頁
【部分圖文】：
晶閘管損傷試驗裝置示意圖
實驗中，當脈沖電壓峰值Up提高到2.35kV時，試品被擊穿。在這個過程中，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，電流峰值達到2kA，而電壓迅速跌落。在電流振蕩過程中，回路電感感應出反向恢復電壓尖峰。隨后電壓和電流逐漸衰減為零，器件喪失電壓阻斷能力。此時測量試品靜態(tài)伏安特性。發(fā)現其正反向均被擊穿，器件失效。并且同組測試的試品均在2.35 kV左右被擊穿。需要指出的是，在Up=2.35kV之前，試品在反向恢復期內均未發(fā)生二次導通，且電壓阻斷能力良好。然而廠家給出的該試品標稱電壓僅為1.8kV，說明晶閘管器件電壓耐受裕量較大。3 仿真結果與分析
本研究采用西安派瑞公司生產的1.8 kV/500A壓接式高壓大功率晶閘管，由于其結構與實際工程中所用器件相同，因此，研究結論具有一定參考價值。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結構如圖1所示，其中：x軸正向為晶閘管徑向；y軸正向為晶閘管軸向。由于器件結構具有對稱性，圖中僅展示晶閘管的右半部分。設定器件基本物理參數如下：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)域通過擴散形成，采用高斯分布模擬摻雜。為了使晶閘管在正反2個方向均有較高的阻斷電壓[19-20],PN結J1和J3均設計為高濃度梯度的緩變結，其中P+基區(qū)表面摻雜濃度為5×1017/cm3，結深40μm;P基區(qū)表面摻雜濃度為3×1016/cm3，結深70μm;P+陽極區(qū)表面摻雜濃度為5×1019/cm3，結深20μm;P陽極區(qū)表面摻雜濃度為3×1016/cm3，結深70μm。N+陰極區(qū)表面摻雜濃度為1.5×1020/cm3，結深20μm。結合晶閘管PNPN結構，使用有限元方法構建晶閘管的網格結構，其中摻雜濃度梯度較大區(qū)域的網格更為密集。網格建好后，對晶閘管進行摻雜。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]考慮多因素影響的換相失敗預測與識別方法[J]. 蔡文瑞,楊國生,杜丁香,王興國. 電網技術. 2019(10)
[2]晶閘管旁路開關在UPFC中的應用[J]. 周啟文,丁峰峰,潘磊,方太勛. 電力工程技術. 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. 中國電機工程學報. 2019(02)
[4]HVDC開路狀態(tài)下換流閥控制設備誤發(fā)保護性觸發(fā)故障原因分析[J]. 吳晉波,熊尚峰,陳剛,李剛,劉海峰,汪宵飛. 電網技術. 2018(03)
[5]中歐高壓直流電網技術論壇綜述[J]. 安婷,Bjarne Andersen,Norman MacLeod,王偉男. 電網技術. 2017(08)
[6]±800kV特高壓直流工程換流閥故障分析與優(yōu)化設計方法[J]. 王華鋒,林志光,張海峰,鄭林,楊樹森,宋林偉. 高電壓技術. 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期的不同保護策略[J]. 茍銳鋒,馬振軍. 高電壓技術. 2016(12)
[8]高壓直流輸電換流閥晶閘管級單元綜合測試系統(tǒng)設計與實現[J]. 劉隆晨,岳珂,龐磊,張星海,李亞偉,張喬根. 電網技術. 2016(03)
[9]特高壓直流輸電的實踐和分析[J]. 饒宏,張東輝,趙曉斌,郭琦. 高電壓技術. 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比[J]. 任小靜,王瀟,劉飛超,王康. 高壓電器. 2015(07)
本文編號：2912139
【文章來源】：電網技術. 2020年07期 第2794-2800頁 北大核心
【文章頁數】：7 頁
【部分圖文】：
晶閘管損傷試驗裝置示意圖
實驗中，當脈沖電壓峰值Up提高到2.35kV時，試品被擊穿。在這個過程中，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，電流峰值達到2kA，而電壓迅速跌落。在電流振蕩過程中，回路電感感應出反向恢復電壓尖峰。隨后電壓和電流逐漸衰減為零，器件喪失電壓阻斷能力。此時測量試品靜態(tài)伏安特性。發(fā)現其正反向均被擊穿，器件失效。并且同組測試的試品均在2.35 kV左右被擊穿。需要指出的是，在Up=2.35kV之前，試品在反向恢復期內均未發(fā)生二次導通，且電壓阻斷能力良好。然而廠家給出的該試品標稱電壓僅為1.8kV，說明晶閘管器件電壓耐受裕量較大。3 仿真結果與分析
本研究采用西安派瑞公司生產的1.8 kV/500A壓接式高壓大功率晶閘管，由于其結構與實際工程中所用器件相同，因此，研究結論具有一定參考價值。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結構如圖1所示，其中：x軸正向為晶閘管徑向；y軸正向為晶閘管軸向。由于器件結構具有對稱性，圖中僅展示晶閘管的右半部分。設定器件基本物理參數如下：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)域通過擴散形成，采用高斯分布模擬摻雜。為了使晶閘管在正反2個方向均有較高的阻斷電壓[19-20],PN結J1和J3均設計為高濃度梯度的緩變結，其中P+基區(qū)表面摻雜濃度為5×1017/cm3，結深40μm;P基區(qū)表面摻雜濃度為3×1016/cm3，結深70μm;P+陽極區(qū)表面摻雜濃度為5×1019/cm3，結深20μm;P陽極區(qū)表面摻雜濃度為3×1016/cm3，結深70μm。N+陰極區(qū)表面摻雜濃度為1.5×1020/cm3，結深20μm。結合晶閘管PNPN結構，使用有限元方法構建晶閘管的網格結構，其中摻雜濃度梯度較大區(qū)域的網格更為密集。網格建好后，對晶閘管進行摻雜。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]考慮多因素影響的換相失敗預測與識別方法[J]. 蔡文瑞,楊國生,杜丁香,王興國. 電網技術. 2019(10)
[2]晶閘管旁路開關在UPFC中的應用[J]. 周啟文,丁峰峰,潘磊,方太勛. 電力工程技術. 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. 中國電機工程學報. 2019(02)
[4]HVDC開路狀態(tài)下換流閥控制設備誤發(fā)保護性觸發(fā)故障原因分析[J]. 吳晉波,熊尚峰,陳剛,李剛,劉海峰,汪宵飛. 電網技術. 2018(03)
[5]中歐高壓直流電網技術論壇綜述[J]. 安婷,Bjarne Andersen,Norman MacLeod,王偉男. 電網技術. 2017(08)
[6]±800kV特高壓直流工程換流閥故障分析與優(yōu)化設計方法[J]. 王華鋒,林志光,張海峰,鄭林,楊樹森,宋林偉. 高電壓技術. 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期的不同保護策略[J]. 茍銳鋒,馬振軍. 高電壓技術. 2016(12)
[8]高壓直流輸電換流閥晶閘管級單元綜合測試系統(tǒng)設計與實現[J]. 劉隆晨,岳珂,龐磊,張星海,李亞偉,張喬根. 電網技術. 2016(03)
[9]特高壓直流輸電的實踐和分析[J]. 饒宏,張東輝,趙曉斌,郭琦. 高電壓技術. 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比[J]. 任小靜,王瀟,劉飛超,王康. 高壓電器. 2015(07)
本文編號：2912139
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