留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

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

赖莉萍, 罗福, 张蓉竹. CMOS阵列响应过程中的电串扰特性研究[J]. 强激光与粒子束, 2015, 27: 061019. doi: 10.11884/HPLPB201527.061019
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
Lai Liping, Luo Fu, Zhang Rongzhu. Research on electrical crosstalk of CMOS array[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2015, 27: 061019. doi: 10.11884/HPLPB201527.061019
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(V)temperature difference ΔT(K)
    current i(A)thermal power P(W)
    amount of charge Q(C)heat Qth(J)
    resistance R(Ω)thermal resistance Rth(KW1)
    capacitance C(F)heat capacity Cth/(JK1)
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV
  • [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
  • 期刊类型引用(5)

    1. 李宁,彭治钢,贺朝会. 高速比较器与时钟驱动器电源模块电磁敏感性研究. 强激光与粒子束. 2024(09): 138-144 . 本站查看
    2. 王锦锦,王伟,聂鑫,郭帆,石跃武,孙蓓云,朱志臻,杨静. 一种电磁脉冲同步触发系统. 电子测试. 2022(19): 5-7 . 百度学术
    3. 秦锋,毛从光,崔志同,聂鑫,陈伟. HEMP传导环境下变压器等效电路模型的建立及验证. 现代应用物理. 2021(02): 41-46 . 百度学术
    4. 王涛,丛佩玺,石荣荣,周书,梁鹏. 电气线路互联系统线缆抗高空核电磁脉冲耦合效应. 强激光与粒子束. 2021(12): 71-75 . 本站查看
    5. 郑浩月,贺宇,何小东,阳禩乾,吴起,杨栋. 电控单元强电磁安全威胁分析及电源防护研究. 强激光与粒子束. 2020(07): 85-89 . 本站查看

    其他类型引用(1)

  • 加载中
图(8) / 表(4)
计量
  • 文章访问数:  2512
  • HTML全文浏览量:  696
  • PDF下载量:  108
  • 被引次数: 6
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

目录

    /

    返回文章
    返回