温度对压降的影响.docx

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温度对压降的影响

题目：

浅谈温度对大功率晶闸管通态特性的影响

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单位：

二o—年四月

浅谈温度对大功率晶闸管通态特性的影响

内容摘要：

电力半导体元件随着电力电子技术发展的需要，不断改进、革新，从SCRGTQ功率MOSFETIGBTMCT到HVIC等；各种元件适合着一定的应用领域的需要，性能在不断的提高和改善；晶闸管也不断的向更大功率发展，在整流领域发挥自己的作用。

在向市场提供大功率晶闸管元件以及相关技术服务过程中，元件参数的一致性对许多实际应用至关重要，特别是通态特性的一致性，通态特性主要表现为通态电压。

影响通态电压的主要因素包括：

注入大小、少子寿命、基区厚度以及电流密度、元件温度等。

本文在建立数学模型的基础上，对晶闸管正向压降的温度特性做

了计算，并在不同温度下测试两只KP600型晶闸管。

结果表明，晶闸管正向压降随温度升高而降低，从而引起变流装置的均流系数随温度升高而升高。

为变流装置的使用和实验提供了科学依据。

关键词：

晶闸管；通态特性；温度；实验。

引言4

一、国内外电力电子元件的发展及现状4

二、本课题研究的意义5

三、晶闸管正向导通压降温度特性的理论计算6

四、晶闸管通态压降温度特性试验9

五、结论11

参考文献12

题目：

浅谈温度对大功率晶闸管通态特性的影响

引言：

本文主要研究元件在不同的温度下，元件的通态压降所发生的变化。

我国现在在运营的电力机车整流装置中，每个桥臂由多个元件串并连组成。

由于并联各元件正向压降不同，引起通过每个晶闸管并联支路的电流就不同。

如果差异太大，可能会导致电流最大支路的元件烧损，然后引起雪崩式烧损的故障，使整流装置损坏。

因此，一台合格的变流装置的各并联支路间的电流平衡程度受到严格的限制，可用均流系数Kmin表示，当Kmin0.85时，即满足要求。

通常测试Kmin时，只能在一种温度下进行，但实际应用中，晶闸管的温度与实验不同，此时正向导通压降与测试值出现差异。

当桥臂电流不变时，正向导通压降的变化必然引起各元件电流随温度重新分配，使均流系数发生变化。

因此，分析晶闸管正向导通压降随温度变化的特性及其对均流系数的影响，对电力机车变流装置的应用，维护和实验都是十分重要的。

一、国内外电力电子元件的发展及现状电力半导体元件随着电力电子技术发展的需要，不断改进、革新，

从SCRGTQ功率MOSFETIGBTMCT到HVIC等；各种元件适合着一定的应用领域的需要，性能在不断的提高和改善；晶闸管也不断的向更大功率发展，在整流领域发挥自己的作用。

主要以开关方式工作的电力电子元件是电力电子技术的核心和龙头，元件特性的每一步新发展都引起了电力电子技术的相应突破。

晶闸管的出现，实现了弱点对强电的控制，使电子技术步入功率领域，在工业上引起了一场技术革命，变流装置由旋转方式变为静止方式，体现了提高效率、缩小体积、减轻质量、延长寿命、消除噪声、便于维修等优点。

这类元件的主要特性是只能控制其开通，不能控制其关断、电压、电流定额都相当高。

21世纪初，电力电子元件仍然还是想功率化、快速化、模块化、智能化方向发展，在变换和控制领域有着广泛的应用。

随着核电，超导的使用以及电力电子应用的进步，像SiC一类的新材料和新元件还将不断的出现。

二、本课题研究的意义

尽管新型额功率元件已经被开发和应用，但由于我国半导体技术发展的比较晚，相关技术比较落后，晶闸管仍是我国电力电子工业的主要元件。

本文主要研究元件在不同的温度下，元件的通态压降所发生的变化。

我国现在在运营的电力机车整流装置中，每个桥臂由多个元件串并连组成。

由于并联各元件正向压降不同，引起通过每个晶闸管并联支路的电流就不同。

如果差异太大，可能会导致电流最大支路的元件烧损，然后引起雪崩式烧损的故障，使整流装置损坏。

因此，一台合格的变流装置的各并联支路间的电流平衡程度受到严格的限制，可用均流系数Kmin表示，当Kmin》0.85时，即满足要求。

通常测试Kmin时，只能在一种温度下进行，但实际应用中，晶闸管的温度与实验不同，此时正向导通压降与测试值出现差异。

当桥臂电

流不变时，正向导通压降的变化必然引起各元件电流随温度重新分配，使均流系数发生变化。

因此，分析晶闸管正向导通压降随温度变化的特性及其对均流系数的影响，对电力机车变流装置的应用，维护和实验都是十分重要的。

三、晶闸管正向导通压降温度特性的理论计算

晶闸管正向导通压降uf由三个部分组成：

即结压降Uj，体压降U体和接触压降U。

接触压降U与半导体和金属的接触质量，材料性质，组装质量等有关。

目前，由于材料和制造工艺的改进，U在通态压降中所占的比例很小，其值可以忽略。

因此，Uf主要由结压降Uj和体

压降U体组成。

他们随温度的变化决定了晶闸管正向导通压降Uf的温度特性。

1.结压降Uj的计算

当通过晶闸管的电流密度为J时，其Uj可由下式计算：

（1）

KTJ

Uj二Aln

（1）

qJs

式中：

A――常数，与电流密度的大小有关，电流密度大时其值较高；

Js――常态饱和电流密度，A/m3，

3

Js=20011Texp{-qEg（T）/（KT）}

2

其中

T

Eg（T）=1.17—4.7310

T636

波尔兹曼常数;

绝对温度;

电子电荷量

由式

（1）得晶闸管结压降Uj的计算曲线，见图1。

其温度范围是

298~398K（25~125C）。

300340380400300340380400

图1结压降Uj的计算结果

从图1可见：

当电流密度J不变时，随温度的增加晶闸管结压降uj

降低；当温度不变时，电流增加，Uj也增加。

2.体压降u体的计算

晶闸管2型基区有高掺杂，有较大宽度，因此晶闸管体压降主要是由N1型基区引起的，其数学模型为：

（2）

4arctan[0.4exp（W/2L）]

UN1KTexp（W/2L）

（b+1）[1+2exp（-W/L）]

式中：

b——电子与空穴的迁移率之比，b二^/%；

W――修正基区宽度；

L――双极扩散长度。

当温度升高热运动加剧，或掺杂浓度增高时，都会造成载流子单位时间碰撞次数增加，使迁移率下降。

由于迁移率下降，在载流子寿命不变的情况下，由散射引起的扩散系数D减小。

即扩散长度D减小，W/L增大，体压降增大。

为了降低体压降，在晶闸管设计中W/L

<3,计算中取w/l=2.5

从式

（2）可见，UM与电流大小无关，体现电导的调制作用。

但是，大注入时体压降还是和电流有关，这是因为电导调制受到载流子之间的散射的干扰，载流子之间散射会引起压降Upn=JW/q%n。

然而在晶闸管正向压降中Uj?

Uni，而Uni?

Upn。

因此在分析晶闸管正向导通压降与温度之间的关系时，可忽略Upn的影响。

同理，根据式

（2）可以计算晶闸管体压降曲线，见图2。

设定温度在298~398K（25~125C）。

图2体压降Uni的仿真结果

从图2可见，Uni随温度的升高而升高。

3.正向导通压降uf的计算结果

根据式

（1）,式

（2）可得正向导通压降计算式，正向压降uf的计算结果如图3所示。

从图3可见，晶闸管正向导通压降在导通电流不变时，其值随温

度的升高而降低。

当温度升为100K时，125A的正向导通压降降低了0.248V;250A的则降低了0.0252V。

两种电流状态下的正向压降的差值也随着温度的升高而减小，298K时相差0.029V，398K时相差0.025V。

可见，温度升高可使晶闸管特性差异缩小，这对提高均流系数是很有利的。

四、晶闸管通态压降温度特性试验测试装置由晶闸管温度控制部分，电流提供部分和测量部分组成。

晶闸管温度控制由烘箱完成，为保证烘箱温度与晶闸管结温一致，每次温度升高后延续一小时再实验，并保证实验过程中烘箱温度不变。

晶闸管电流由一个大电流发生器提供。

电流发生器可在10ms内提供

最高达3300A的正弦脉冲电流，以保证晶闸管实验电流波形与实际情况相同。

正向压降和电流信号均由数字示波器自动检测。

两只同型号的晶闸管（KP600I和KP600H）在不同电流下uf与温度的关系曲线如图4表示，不同温度下的伏安特性曲线由图5所示。

从图4可见，不同电流下Uf随温度增加而降低的程度不同；同一电流下，温度越高正向压降越小。

从图5可见，温度不同，伏安特性不同，在同一电压下，温度高通过的电流也大。

U/V

1OOOA

图4KP600Uf-T曲线

1-KP600I（65C）;2-KP60011（65C）

3-KP600I（25C）;4-KP60011（25C）;

图5KP600Uf-I曲线

五、结论

理论分析表明，晶闸管正向导通压降主要由结压降和体压降组成。

在电流不变时，结压降随温度升高而降低，占正向导通压降的主要部分；体压降随温度升高而升高，占导通压降次要部分；最终要使晶闸管正向导通压降随温度的升高而降低。

对KP600型晶闸管在不同温度下正向导通压降实验结果和拟合曲线均表明：

在正常使用的电流不变时，晶闸管正向压降随温度升高而降低，实验结果和理论分析计算基本吻合。

对实验数据分析表明：

晶闸管正向压降随温度升高而升高会导致均流系数升高。

参考文献：

1】谢步明，韶山7型电力机车[M],北京；中国铁道出版社，1998.

2】杨文焕，变流器均流系数的温度特性[J]，电力电子技术，2003，

（2）。

3】清华大学工业自动化系，大功率可控硅元件[M],北京：

人民教育出版社，1975.

4】王益成，苏文虎，电力半导体器件中间测试技术[M],北京；机械工业出版社，1990.

【5】铁道部永济电机厂。

TGZ3A-3300/1550硅整流装置出厂试验报告[Z],永济；铁道部永济电机厂（现中国北车永济新时速电机电器有限责任公司），1992.