脉冲电压作用下晶闸管反向恢复期损伤效应与机理分析
发布时间：2020-12-12 07:54
掌握晶闸管反向恢复期损伤机理对晶闸管保护设计和探索反向恢复过程相关机理具有重要意义。为研究高压晶闸管在反向恢复期内脉冲作用下的损伤机理,分别采用脉冲试验法、软件仿真法以及芯片失效分析法,对晶闸管进行了反向恢复期内脉冲损伤试验,建立晶闸管器件–电路模型,对反向恢复期内脉冲作用过程进行数值模拟,并通过芯片失效现象分析其失效机理。结果表明,正常门极触发导通和反向恢复期内二次导通均在晶闸管靠近门极处的阴极边缘形成初始导通通道,并通过载流子的扩散拓宽通道,其中后者的电流密度较大,且由于反向恢复期最后关闭区域存在残留的载流子,在这个区域能够形成替代通道;反向恢复期内由于晶闸管门极区域电流密度过大、电流上升率过高,门极附近一带容易烧毁,表明晶闸管反向恢复期脉冲损伤属于热致损伤。
【文章来源】：电网技术. 2020年07期 第2794-2800页 北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
晶闸管损伤试验装置示意图
实验中，当脉冲电压峰值Up提高到2.35kV时，试品被击穿。在这个过程中，试品的电流和电压波形如图3所示。试品被击穿之后，正向电流迅速增大，电流峰值达到2kA，而电压迅速跌落。在电流振荡过程中，回路电感感应出反向恢复电压尖峰。随后电压和电流逐渐衰减为零，器件丧失电压阻断能力。此时测量试品静态伏安特性。发现其正反向均被击穿，器件失效。并且同组测试的试品均在2.35 kV左右被击穿。需要指出的是，在Up=2.35kV之前，试品在反向恢复期内均未发生二次导通，且电压阻断能力良好。然而厂家给出的该试品标称电压仅为1.8kV，说明晶闸管器件电压耐受裕量较大。3 仿真结果与分析
本研究采用西安派瑞公司生产的1.8 kV/500A压接式高压大功率晶闸管，由于其结构与实际工程中所用器件相同，因此，研究结论具有一定参考价值。以规格为1.8 kV/500A的晶闸管作为参考，建立晶闸管径向切面的二维物理模型。晶闸管PNPN结构如图1所示，其中：x轴正向为晶闸管径向；y轴正向为晶闸管轴向。由于器件结构具有对称性，图中仅展示晶闸管的右半部分。设定器件基本物理参数如下：截面高度为400μm，宽度为16000μm。N-基区采用均匀分布模拟掺杂，掺杂浓度为7×1013/cm3，宽度260μm。其余区域通过扩散形成，采用高斯分布模拟掺杂。为了使晶闸管在正反2个方向均有较高的阻断电压[19-20],PN结J1和J3均设计为高浓度梯度的缓变结，其中P+基区表面掺杂浓度为5×1017/cm3，结深40μm;P基区表面掺杂浓度为3×1016/cm3，结深70μm;P+阳极区表面掺杂浓度为5×1019/cm3，结深20μm;P阳极区表面掺杂浓度为3×1016/cm3，结深70μm。N+阴极区表面掺杂浓度为1.5×1020/cm3，结深20μm。结合晶闸管PNPN结构，使用有限元方法构建晶闸管的网格结构，其中掺杂浓度梯度较大区域的网格更为密集。网格建好后，对晶闸管进行掺杂。
【参考文献】：
期刊论文
[1]考虑多因素影响的换相失败预测与识别方法[J]. 蔡文瑞,杨国生,杜丁香,王兴国. 电网技术. 2019(10)
[2]晶闸管旁路开关在UPFC中的应用[J]. 周启文,丁峰峰,潘磊,方太勋. 电力工程技术. 2019(01)
[3]高压直流输电系统换相失败影响因素研究综述[J]. 汤奕,郑晨一. 中国电机工程学报. 2019(02)
[4]HVDC开路状态下换流阀控制设备误发保护性触发故障原因分析[J]. 吴晋波,熊尚峰,陈刚,李刚,刘海峰,汪宵飞. 电网技术. 2018(03)
[5]中欧高压直流电网技术论坛综述[J]. 安婷,Bjarne Andersen,Norman MacLeod,王伟男. 电网技术. 2017(08)
[6]±800kV特高压直流工程换流阀故障分析与优化设计方法[J]. 王华锋,林志光,张海峰,郑林,杨树森,宋林伟. 高电压技术. 2017(01)
[7]高压晶闸管换流阀电控型和光控型晶闸管反向恢复期的不同保护策略[J]. 苟锐锋,马振军. 高电压技术. 2016(12)
[8]高压直流输电换流阀晶闸管级单元综合测试系统设计与实现[J]. 刘隆晨,岳珂,庞磊,张星海,李亚伟,张乔根. 电网技术. 2016(03)
[9]特高压直流输电的实践和分析[J]. 饶宏,张东辉,赵晓斌,郭琦. 高电压技术. 2015(08)
[10]两种特高压直流输电用晶闸管控制单元工作原理分析对比[J]. 任小静,王潇,刘飞超,王康. 高压电器. 2015(07)
本文编号：2912139
【文章来源】：电网技术. 2020年07期 第2794-2800页 北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
晶闸管损伤试验装置示意图
实验中，当脉冲电压峰值Up提高到2.35kV时，试品被击穿。在这个过程中，试品的电流和电压波形如图3所示。试品被击穿之后，正向电流迅速增大，电流峰值达到2kA，而电压迅速跌落。在电流振荡过程中，回路电感感应出反向恢复电压尖峰。随后电压和电流逐渐衰减为零，器件丧失电压阻断能力。此时测量试品静态伏安特性。发现其正反向均被击穿，器件失效。并且同组测试的试品均在2.35 kV左右被击穿。需要指出的是，在Up=2.35kV之前，试品在反向恢复期内均未发生二次导通，且电压阻断能力良好。然而厂家给出的该试品标称电压仅为1.8kV，说明晶闸管器件电压耐受裕量较大。3 仿真结果与分析
本研究采用西安派瑞公司生产的1.8 kV/500A压接式高压大功率晶闸管，由于其结构与实际工程中所用器件相同，因此，研究结论具有一定参考价值。以规格为1.8 kV/500A的晶闸管作为参考，建立晶闸管径向切面的二维物理模型。晶闸管PNPN结构如图1所示，其中：x轴正向为晶闸管径向；y轴正向为晶闸管轴向。由于器件结构具有对称性，图中仅展示晶闸管的右半部分。设定器件基本物理参数如下：截面高度为400μm，宽度为16000μm。N-基区采用均匀分布模拟掺杂，掺杂浓度为7×1013/cm3，宽度260μm。其余区域通过扩散形成，采用高斯分布模拟掺杂。为了使晶闸管在正反2个方向均有较高的阻断电压[19-20],PN结J1和J3均设计为高浓度梯度的缓变结，其中P+基区表面掺杂浓度为5×1017/cm3，结深40μm;P基区表面掺杂浓度为3×1016/cm3，结深70μm;P+阳极区表面掺杂浓度为5×1019/cm3，结深20μm;P阳极区表面掺杂浓度为3×1016/cm3，结深70μm。N+阴极区表面掺杂浓度为1.5×1020/cm3，结深20μm。结合晶闸管PNPN结构，使用有限元方法构建晶闸管的网格结构，其中掺杂浓度梯度较大区域的网格更为密集。网格建好后，对晶闸管进行掺杂。
【参考文献】：
期刊论文
[1]考虑多因素影响的换相失败预测与识别方法[J]. 蔡文瑞,杨国生,杜丁香,王兴国. 电网技术. 2019(10)
[2]晶闸管旁路开关在UPFC中的应用[J]. 周启文,丁峰峰,潘磊,方太勋. 电力工程技术. 2019(01)
[3]高压直流输电系统换相失败影响因素研究综述[J]. 汤奕,郑晨一. 中国电机工程学报. 2019(02)
[4]HVDC开路状态下换流阀控制设备误发保护性触发故障原因分析[J]. 吴晋波,熊尚峰,陈刚,李刚,刘海峰,汪宵飞. 电网技术. 2018(03)
[5]中欧高压直流电网技术论坛综述[J]. 安婷,Bjarne Andersen,Norman MacLeod,王伟男. 电网技术. 2017(08)
[6]±800kV特高压直流工程换流阀故障分析与优化设计方法[J]. 王华锋,林志光,张海峰,郑林,杨树森,宋林伟. 高电压技术. 2017(01)
[7]高压晶闸管换流阀电控型和光控型晶闸管反向恢复期的不同保护策略[J]. 苟锐锋,马振军. 高电压技术. 2016(12)
[8]高压直流输电换流阀晶闸管级单元综合测试系统设计与实现[J]. 刘隆晨,岳珂,庞磊,张星海,李亚伟,张乔根. 电网技术. 2016(03)
[9]特高压直流输电的实践和分析[J]. 饶宏,张东辉,赵晓斌,郭琦. 高电压技术. 2015(08)
[10]两种特高压直流输电用晶闸管控制单元工作原理分析对比[J]. 任小静,王潇,刘飞超,王康. 高压电器. 2015(07)
本文编号：2912139
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