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高电压大电流晶闸管组件的热特性

张星汝 冯冰洋 刘俊 李元晟 肖豪龙 张梦瑜 何孟兵

张星汝, 冯冰洋, 刘俊, 等. 高电压大电流晶闸管组件的热特性[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 025016. doi: 10.11884/HPLPB202032.190346
引用本文: 张星汝, 冯冰洋, 刘俊, 等. 高电压大电流晶闸管组件的热特性[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 025016. doi: 10.11884/HPLPB202032.190346
Zhang Xingru, Feng Bingyang, Liu Jun, et al. Thermal characteristics of high voltage and high current thyristor assembly[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 025016. doi: 10.11884/HPLPB202032.190346
Citation: Zhang Xingru, Feng Bingyang, Liu Jun, et al. Thermal characteristics of high voltage and high current thyristor assembly[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 025016. doi: 10.11884/HPLPB202032.190346

高电压大电流晶闸管组件的热特性

doi: 10.11884/HPLPB202032.190346
详细信息
    作者简介:

    张星汝(1996—),女,硕士研究生,从事脉冲功率技术研究;2440905234@qq.com

    通讯作者:

    何孟兵(1971—),男,博士,教授,从事脉冲功率技术研究;pulhmb@hust.edu.cn

  • 中图分类号: TM832

Thermal characteristics of high voltage and high current thyristor assembly

  • 摘要: 晶闸管具有控制特性好、寿命长、噪声小等优点,目前在脉冲功率技术应用中,利用大功率晶闸管代替传统气体开关是研究趋势。晶闸管在高电压、大电流、重复频率工作条件下使用,需要对开关组件进行仔细的选型和组合。基于晶闸管的失效机理,对晶闸管组件在高电压、大电流、高di/dt,高du/dt、重复频率工作下的发热问题进行了理论分析、仿真计算和试验研究,对晶闸管组件在重复频率脉冲功率系统中的使用条件给出了理论依据。随着晶闸管工作电压、电流、频率增大,晶闸管的热损耗也越大,晶闸管的发热也越严重。为保证晶闸管安全稳定地工作,需要结温保持在安全范围内,不能长时间在重复频率下工作。
  • 图  1  福斯特模型

    Figure  1.  Foster model

    图  2  考尔模型

    Figure  2.  Cauer model

    图  3  脉冲功率发生装置结构

    Figure  3.  Pulsed power generator structure

    图  4  晶闸管开关连接

    Figure  4.  Thyristor switch connection

    图  5  不同电压下的晶闸管开关电流

    Figure  5.  Thyristor switch current at different voltages

    图  6  晶闸管触发导通电压电流

    Figure  6.  Thyristor triggering on voltage and current

    图  7  晶闸管导通压降

    Figure  7.  Thyristor conduction voltage drop

    图  8  热等效电路仿真结果

    Figure  8.  Simulation results of thermal equivalent circuit

    表  1  电传导参数和热传导参数对比

    Table  1.   Comparison of electrical conduction parameters and heat transfer parameters

    electrical parametersthermal parameter
    voltage $U({\rm{V}})$temperature difference $\Delta T({\rm{K}})$
    current $i({\rm{A}})$thermal power $P({\rm{W}})$
    amount of charge $Q({\rm{C}})$heat ${Q_{{\rm{th}}}}({\rm{J}})$
    resistance $R(\Omega) $thermal resistance ${R_{{\rm{th}}}}({\rm{K }}\cdot {{\rm{W}}^{ - 1}})$
    capacitance $C({\rm{F}})$heat capacity ${C_{{\rm{th}}}}{\rm{/(J }}\cdot{{\rm{K}}^{{\rm{ - 1}}}}{\rm{)}}$
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    表  2  晶闸管热阻抗参数

    Table  2.   Thyristor’s thermal impedance parameters

    thermal resistance Rth/(K·W−1)heat capacity Cth/(J·K−1)
    2.060.777 00
    1.600.169 00
    0.760.034 00
    0.080.006 75
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    表  3  热等效电路仿真结果

    Table  3.   Simulation data of thermal equivalent circuit

    voltage/kVmaximum temperature difference/℃stable temperature difference/℃
    371.99.13
    4292.737.35
    5484.661.55
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    表  4  热平衡壳温

    Table  4.   Heat balance shell temperature

    voltage/kVduration/mininitial shell temperature/℃final shell temperature/℃shell temperature rise/℃minimum junction temperature/℃maximum junction temperature/℃single average temperature rise/℃
    3120.823.22.432.3095.10.008 0
    3322.026.24.236.3399.10.004 7
    3523.030.27.239.33102.10.004 8
    4122.227.14.964.45319.80.016 3
    4324.735.510.872.85328.20.012 0
    5123.429.96.591.45514.50.021 7
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  • [1] 尉健翔, 张金友. 散热对晶闸管使用寿命的影响[J]. 电子元器件应用, 2001(3):26-27. (Wei Jianxiang, Zhang Jinyou. Effect of heat dissipation on the service life of thyristors[J]. Electronic Components & Applications, 2001(3): 26-27
    [2] 卢茨 J. 功率半导体器件: 原理、特性和可靠性[M]. 北京: 机械工业出版社, 2013.

    Lutz J.. Power semiconductor devices: Principles, characteristics and reliability[M]. Beijing: China Machine Press, 2013
    [3] 蓝元良, 汤广福, 印永华, 等. 大功率晶闸管热阻抗分析方法的研究[J]. 中国电机工程学报, 2007(19):3-8. (Lan Yuanliang, Tang Guangfu, Yin Yonghua, et al. Research on thermal impedance analysis method of high power thyristor[J]. Proceedings of the CSEE, 2007(19): 3-8
    [4] 杨俊, 汤广福, 曹均正, 等. HVDC阀晶闸管结温计算等效电路模型[J]. 中国电机工程学报, 2013, 33(15):156-163. (Yang Jun, Tang Guangfu, Cao Junzheng, et al. Equivalent circuit model for calculation of thyristor junction temperature of HVDC valve[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(15): 156-163
    [5] 李皎明, 余岳辉, 白铁城, 等. 晶闸管的瞬态热阻抗及其结温温升的研究[J]. 微纳电子技术, 2001, 38(2):52-55. (Li Yuming, Yu Yuehui, Bai Tiecheng, et al. Study on transient thermal impedance of thyristor and its junction temperature rise[J]. Micronanoelectronic Technology, 2001, 38(2): 52-55
    [6] 宋峰青. 高压变频器中晶闸管串联的均压问题[J]. 电气时代, 2004(12):138-138. (Song Fengqing. Voltage equalization problem of thyristor series in high voltage frequency converter[J]. Electric Age, 2004(12): 138-138
    [7] 张适昌. 磁开关[C]//全国高功率粒子束文集: 第 5 卷. 绵阳: 中国粒子束加速器学会, 1995: 323-326.

    Zhang Shichang. Magnetic switch[C]//Prec of National High Power Particle Beam Collection: Volume 5. Mianyang: China Particle Beam Accelerator Society, 1995: 323-326
    [8] Jiang J, Liu J, Liu M, et al. Design and construction of a±100 kV gas switch for linear transformer drivers[J]. IEEE Trans Dielectrics and Electrical Insulation, 2015, 22(2): 1292-1297. doi: 10.1109/TDEI.2015.7076833
    [9] 陈旭. 高压脉冲晶闸管热特性研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2015.

    Chen Xu. Study on thermal characteristics of high voltage pulse thyristors[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2015.
    [10] 董汉彬. 功率晶闸管的暂态热特性研究及应用[D]. 武汉: 华中科技大学, 2012.

    Dong Hanbin. Research and application of transient thermal characteristics of power thyristors[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2012
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-10
  • 修回日期:  2019-11-26
  • 刊出日期:  2019-12-26

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