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摘 要：功率晶闸管具有反向恢复的特性，本文在分析其物理过程的基础上，对影响关断时间的因素作了分析，并对利用LTT换流阀对晶闸管反向恢复保护提出了相应的对策。
关键词：功率晶闸管;恢复时间;影响因素;恢复保护;LTT换流阀
功率晶闸管具有可控性强、重复频率高、通流大的特点被广泛的用于脉冲功率电源，但是由于晶闸管具有着反向恢复的特性容易导致晶闸管在关断的过程中出现过压损坏。要减小晶闸管过压损坏就必须对晶闸管的反向恢复特性进行研究。
一、晶闸管反向恢复物理过程分析
晶闸管具有这低掺杂大注入的基区，在构造方面分为三端四层。晶闸管从阻断状态变为导通状态的过程中硅片每个区域都注入了大量的非平衡载流子。这些载流子在晶闸管从导通状态变为阻断状态时经过复合、迁移、扩散的方式消散起效，这一过程被称为晶闸管的反向恢复过程。
晶闸管由3个PN结构成，当处于阻断态时假如在门极相对于阴极加上正向电压[UG]，就会有与阳极电流同方向的门极电流[Ig]通过[J3]结，但是通过[J3]结的电流不再受反偏[J2]结的限制，只需要在改变[J3]结的电压就可以控制[J3]结的电流大小。当[Ig]增大时[J3]结的电流也会增大，引起了[N2]区向[P2]区注入大量的电子，已纷纷于空穴复合最终形成门极电流，另一部分电子在[P2]区通过扩散到了[J2]结被收集到了[N1]区，导致了[J2]结电子电流的增加。电子被收集到[N1]区导致电位下降，[J1]反而正便，注入空穴的电流增加，通过整个晶闸管的电流[IA]也增加，致使晶闸管导通。
当切断晶闸管正向电流后，并不能立刻关断，假如在短时间内加上正向电压，晶闸管还是会导通。晶闸管关断特性是通过载流子的浓度的变化来确定的，剩余载流子要降到储存电荷小于临界储存电荷，从切断正向电流到控制恢极恢复控制能力需要的时间就是关断时间[toff]。关断时间为[toff=trr+tgr]，[trr]反向阻断恢复时间、[tgr]为正向阻断恢复时间。
二、影响关断时间的因素
增加通流时间就会导致晶闸管结温的升高，结温增加也就意味着会延长基区载流子的寿命，导致恢复时间增加，增大的通流幅值会增加基区存储的电荷总量，也会增加较长的恢复时间。因此我们可以总结通流时间越长，晶闸管的结温越高。用公式表示：[pt=i（t）u（t）]，[Tj=T0+ptdZj（t）/dt]。在这个公式中[Tj]为结温，[T0]为室温，[Zj（t）]是晶闸管瞬态热阻和阀散热片组合的热阻。在实际工作中大部分的剩余电荷都是在[N1]基区聚集，这一区域对与晶闸管的关断特性具有决定性作用。
利用电荷控制方程，我们将电荷存贮效应可以用公式来表示：i=[dQdt+Qτ]，[Q]为[N1]区的过剩电荷，[τ]为[N1]区过剩载流子寿命，i为流入[N1]区的电流。假如晶闸管的阳极和阴极的发射效率都是1，在关断过程中[τ]保持不变，阳极电流i的以（di/dt）的速率在下降，那么在阳极电流i过0时，基区的剩余电荷为[QB=QF（1-et0τ）τt0]，公式中[QB]为阳极电流过0时基区的过剩电荷量，[QF]为电流开始下降时基区过剩电荷量，[t0]为阳极电流的过0时刻。因此我们分析到增加通流时间晶闸管的结温增加，导致基区的载流子难恢复，导致边界复合效应的载流子寿命延长，恢复时间增加。另外增加晶闸管通流幅值就增加载流子对基区的注入，晶闸管的恢复时间也增长。
三、LTT换流阀反向恢复保护策略
在反向恢复期晶闸管内存留的恢复电荷载流子非常活跃，我们利用公式[iq=Cjdudt]可以看出载流子的强度[iq]与晶閘管结电容[Cj]以及正向电压变换率du/dt有关，[Cj]由晶闸管的制造工艺决定，可认为是常数。而du/dt就成为决定[iq]的唯一因素。过高的正向du/dt将导致[iq]瞬时迅猛增加，有可能造成晶闸管局部过热而损坏，也可能导致晶闸管再度自触发而损坏。另外晶闸管关断时载流子被大量消耗，晶闸管的反向阻断能力开始恢复，反向电流迅速下降。由于反向电流峰值高，关断时间短，在恢复电流快速衰减时在相连电路中的电感会出现较大的电压跳变，进而使得晶闸管的两端也发生电压跳变，如果跳变电压超出限度就会导致晶闸管的损坏，因此必须对晶闸管加设反向恢复期保护。
LTT换流阀反向向恢复期保护策略是设计了一块被称为RPU（recovery protection unit）反向恢复期保护的电子线路板和阀组件内每个晶闸管阀段的冲击均压电容串联，阀段和RPU的接线及电气原理如图1。此图中[L1L2]为阀饱和电抗器，[A1]为晶闸管堆，[CK]为阀段冲击均匀压电容，RPU为反向恢复保护单元。
LTT阀中RPU直接在线探测阀段（多个晶闸管串联）在反向恢复期电压上升率du/dt，由阀段的保护特性要求确定的RPU保护功能为：检测该阀段的电压上升率du/dt和可产生激光保护脉冲，将该阀段整体保护触发。其中RPU的保护触发逻辑必须满足以下两个条件：第一是在晶闸管关断过程中，1.3ms的反向恢复期保护窗口打开。第二是在在保护窗口内每个晶闸管两端的di/dt>100V/μs。
参考文献
[1]吉东昌.换流阀设备换相失败故障的暂态分析和探索[J].信息记录材料，2017（09）.
[2]谢锋，蔡忠.大容量柔性直流换流阀组安装施工工法应用研究[J].信息记录材料，2017（11）.
[3]陈渊博.浅谈±800kV换流站换流阀安装的监理控制[J].建设监理，2016（01）.
[4]于海波，刘彬.有限元分析在特高压换流阀塔结构抗震设计中的应用[J].高压电器，2016（08）.
[5]李玉玺，王俊，魏忠明，张强.换流阀组安装典型施工工法应用研究[J].云南电业，2016（08）.
[6]习贺勋，汤广福，刘杰，魏晓光，查鲲鹏.±800kV/4750A特高压直流输电换流阀研制[J].中国电机工程学报，2012（24）.
关键词：功率晶闸管;恢复时间;影响因素;恢复保护;LTT换流阀
功率晶闸管具有可控性强、重复频率高、通流大的特点被广泛的用于脉冲功率电源，但是由于晶闸管具有着反向恢复的特性容易导致晶闸管在关断的过程中出现过压损坏。要减小晶闸管过压损坏就必须对晶闸管的反向恢复特性进行研究。
一、晶闸管反向恢复物理过程分析
晶闸管具有这低掺杂大注入的基区，在构造方面分为三端四层。晶闸管从阻断状态变为导通状态的过程中硅片每个区域都注入了大量的非平衡载流子。这些载流子在晶闸管从导通状态变为阻断状态时经过复合、迁移、扩散的方式消散起效，这一过程被称为晶闸管的反向恢复过程。
晶闸管由3个PN结构成，当处于阻断态时假如在门极相对于阴极加上正向电压[UG]，就会有与阳极电流同方向的门极电流[Ig]通过[J3]结，但是通过[J3]结的电流不再受反偏[J2]结的限制，只需要在改变[J3]结的电压就可以控制[J3]结的电流大小。当[Ig]增大时[J3]结的电流也会增大，引起了[N2]区向[P2]区注入大量的电子，已纷纷于空穴复合最终形成门极电流，另一部分电子在[P2]区通过扩散到了[J2]结被收集到了[N1]区，导致了[J2]结电子电流的增加。电子被收集到[N1]区导致电位下降，[J1]反而正便，注入空穴的电流增加，通过整个晶闸管的电流[IA]也增加，致使晶闸管导通。
当切断晶闸管正向电流后，并不能立刻关断，假如在短时间内加上正向电压，晶闸管还是会导通。晶闸管关断特性是通过载流子的浓度的变化来确定的，剩余载流子要降到储存电荷小于临界储存电荷，从切断正向电流到控制恢极恢复控制能力需要的时间就是关断时间[toff]。关断时间为[toff=trr+tgr]，[trr]反向阻断恢复时间、[tgr]为正向阻断恢复时间。
二、影响关断时间的因素
增加通流时间就会导致晶闸管结温的升高，结温增加也就意味着会延长基区载流子的寿命，导致恢复时间增加，增大的通流幅值会增加基区存储的电荷总量，也会增加较长的恢复时间。因此我们可以总结通流时间越长，晶闸管的结温越高。用公式表示：[pt=i（t）u（t）]，[Tj=T0+ptdZj（t）/dt]。在这个公式中[Tj]为结温，[T0]为室温，[Zj（t）]是晶闸管瞬态热阻和阀散热片组合的热阻。在实际工作中大部分的剩余电荷都是在[N1]基区聚集，这一区域对与晶闸管的关断特性具有决定性作用。
利用电荷控制方程，我们将电荷存贮效应可以用公式来表示：i=[dQdt+Qτ]，[Q]为[N1]区的过剩电荷，[τ]为[N1]区过剩载流子寿命，i为流入[N1]区的电流。假如晶闸管的阳极和阴极的发射效率都是1，在关断过程中[τ]保持不变，阳极电流i的以（di/dt）的速率在下降，那么在阳极电流i过0时，基区的剩余电荷为[QB=QF（1-et0τ）τt0]，公式中[QB]为阳极电流过0时基区的过剩电荷量，[QF]为电流开始下降时基区过剩电荷量，[t0]为阳极电流的过0时刻。因此我们分析到增加通流时间晶闸管的结温增加，导致基区的载流子难恢复，导致边界复合效应的载流子寿命延长，恢复时间增加。另外增加晶闸管通流幅值就增加载流子对基区的注入，晶闸管的恢复时间也增长。
三、LTT换流阀反向恢复保护策略
在反向恢复期晶闸管内存留的恢复电荷载流子非常活跃，我们利用公式[iq=Cjdudt]可以看出载流子的强度[iq]与晶閘管结电容[Cj]以及正向电压变换率du/dt有关，[Cj]由晶闸管的制造工艺决定，可认为是常数。而du/dt就成为决定[iq]的唯一因素。过高的正向du/dt将导致[iq]瞬时迅猛增加，有可能造成晶闸管局部过热而损坏，也可能导致晶闸管再度自触发而损坏。另外晶闸管关断时载流子被大量消耗，晶闸管的反向阻断能力开始恢复，反向电流迅速下降。由于反向电流峰值高，关断时间短，在恢复电流快速衰减时在相连电路中的电感会出现较大的电压跳变，进而使得晶闸管的两端也发生电压跳变，如果跳变电压超出限度就会导致晶闸管的损坏，因此必须对晶闸管加设反向恢复期保护。
LTT换流阀反向向恢复期保护策略是设计了一块被称为RPU（recovery protection unit）反向恢复期保护的电子线路板和阀组件内每个晶闸管阀段的冲击均压电容串联，阀段和RPU的接线及电气原理如图1。此图中[L1L2]为阀饱和电抗器，[A1]为晶闸管堆，[CK]为阀段冲击均匀压电容，RPU为反向恢复保护单元。
LTT阀中RPU直接在线探测阀段（多个晶闸管串联）在反向恢复期电压上升率du/dt，由阀段的保护特性要求确定的RPU保护功能为：检测该阀段的电压上升率du/dt和可产生激光保护脉冲，将该阀段整体保护触发。其中RPU的保护触发逻辑必须满足以下两个条件：第一是在晶闸管关断过程中，1.3ms的反向恢复期保护窗口打开。第二是在在保护窗口内每个晶闸管两端的di/dt>100V/μs。
参考文献
[1]吉东昌.换流阀设备换相失败故障的暂态分析和探索[J].信息记录材料，2017（09）.
[2]谢锋，蔡忠.大容量柔性直流换流阀组安装施工工法应用研究[J].信息记录材料，2017（11）.
[3]陈渊博.浅谈±800kV换流站换流阀安装的监理控制[J].建设监理，2016（01）.
[4]于海波，刘彬.有限元分析在特高压换流阀塔结构抗震设计中的应用[J].高压电器，2016（08）.
[5]李玉玺，王俊，魏忠明，张强.换流阀组安装典型施工工法应用研究[J].云南电业，2016（08）.
[6]习贺勋，汤广福，刘杰，魏晓光，查鲲鹏.±800kV/4750A特高压直流输电换流阀研制[J].中国电机工程学报，2012（24）.