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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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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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