大功率脈沖整流系統(tǒng)半導(dǎo)體元件結(jié)溫計(jì)算與仿真

甯佐清，周書(shū)堂

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大功率脈沖整流系統(tǒng)半導(dǎo)體元件結(jié)溫計(jì)算與仿真

甯佐清1，周書(shū)堂2

（1.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢430064；2.中國(guó)人民解放軍駐3303廠軍代室，武漢430200）

大功率脈沖式整流系統(tǒng)在特種電氣應(yīng)用行業(yè)越來(lái)越廣泛，單脈沖的功率非常大，合理利用整流元件的浪涌通流特性是整流系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的關(guān)鍵。本文以某超大功率脈沖整流設(shè)備應(yīng)用為背景，提出了一種利用整流元件的浪涌通流特性來(lái)計(jì)算元件溫升的設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了方法的正確性。該文對(duì)其他脈沖式整流系統(tǒng)半導(dǎo)體器件選型計(jì)算有一定的指導(dǎo)作用。

脈沖式 整流系統(tǒng) 浪涌電流 結(jié)溫

0 引言

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，超大功率脈沖式直流電源的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如高低開(kāi)關(guān)電器短路試驗(yàn)、脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)等領(lǐng)域，單脈沖的功率達(dá)到300 MW甚至更高，對(duì)于脈沖整流系統(tǒng)整流元件的穩(wěn)定性和可靠性提出了更高的要求，如何準(zhǔn)確計(jì)算和分析元件在脈沖式工況下的溫升，是系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行的大前提。本文以某超大功率脈沖式整流系統(tǒng)工程應(yīng)用項(xiàng)目為背景，對(duì)整流元件在脈沖式工作下的溫升進(jìn)行分析，該應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)對(duì)于提高設(shè)備的性能甚至整流器的實(shí)際應(yīng)用水平都有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)工作特點(diǎn)及元件特性介紹

超大功率脈沖整流系統(tǒng)一般指直流側(cè)輸出電流/電壓為脈沖形式，單個(gè)脈沖的電流達(dá)到幾十千安或者幾百千安，電壓為幾千伏特的整流系統(tǒng)；系統(tǒng)主電路多采用六脈波橋式整流形式，根據(jù)系統(tǒng)對(duì)直流電壓/電流的需求，通過(guò)多個(gè)六脈波整流橋的串/并聯(lián)實(shí)現(xiàn)超大功率輸出。某超大功率脈沖式整流系統(tǒng)（文中定義為脈沖式硅整流系統(tǒng)）中，要求額定單脈沖為140 kA，1000 V，0.6 s；極限短路工況能承受350 kA，1S系統(tǒng)不損壞；為了滿足系統(tǒng)的需求，整流部分單橋臂采用8只KPD-5100 A/6500 V元件并聯(lián)設(shè)計(jì)，并采用同相逆并聯(lián)二極管整流結(jié)構(gòu)。多元件并聯(lián)的原理圖如圖1所示。

該脈沖式硅整流系統(tǒng)的額定工況為工作DC140 kA，1000 V，運(yùn)行0.6 s，停歇7 s，直流輸出仿真波形如圖2和圖3所示；故障狀態(tài)下要經(jīng)受短路電流為350 kA，1s而系統(tǒng)不損壞。

脈沖式硅整流系統(tǒng)選用的是普通大功率電力二極管，電流密度大，元件結(jié)溫高，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好。在該整流系統(tǒng)中，由于二極管正向?qū)娏鳛槊}沖式，且脈沖峰值很大，若元件通流設(shè)計(jì)按其工作在正向平均電流狀態(tài)進(jìn)行，就會(huì)使整流系統(tǒng)非常龐大而且失去工程應(yīng)用意義，所以脈沖式硅整流系統(tǒng)中的元件通流設(shè)計(jì)必須利用元件的浪涌通流特性進(jìn)行選擇。

該脈沖式硅整流系統(tǒng)選擇的元件型號(hào)為ZPD-5100A/6500V，其浪涌通流特性如圖4所示。

2 元件通流量及結(jié)溫計(jì)算

2.1 脈沖式通流量計(jì)算

該脈沖式硅整流系統(tǒng)的兩種工況，根據(jù)計(jì)算和工程化經(jīng)驗(yàn)如果系統(tǒng)能滿足350 kA，1s不重復(fù)的直流短路電流的通流量要求，則肯定能滿足140 kA，0.6 s周期脈沖工作下的通流量需求，所以只需要計(jì)算直流側(cè)短路電流350 kA，1S的工況下系統(tǒng)元件溫升在安全范圍內(nèi)即可。

在直流側(cè)短路電流350kA，1S工況下，根據(jù)整流橋通流特性計(jì)算出單只元件的通態(tài)電流有效值為：

其中：I為直流電流，350 kA；n為并聯(lián)元件個(gè)數(shù)，8只；K為并聯(lián)元件均流系數(shù)，取0.85 。為橋臂電流計(jì)算系數(shù)其計(jì)算公式如下：

其中：為導(dǎo)通周期，20 ms；為脈沖導(dǎo)通時(shí)間，6.667 ms。

所以單只元件的浪涌峰值為14.85 kA/0.707=21 kA，從圖4中可以看到二極管工作1s（50個(gè)周波@50 Hz）時(shí)能夠承受的浪涌電流峰值為35.4 kA，大于元件的實(shí)際通態(tài)浪涌電流。

單只二極管通態(tài)損耗P的計(jì)算公式如下：

式中：V為半導(dǎo)體器件門(mén)檻電壓；I為半導(dǎo)體器件實(shí)際工作平均電流，約8.6 kA；I為半導(dǎo)體器件實(shí)際工作有效電流；r為半導(dǎo)體器件斜率電阻；為波形系數(shù)；相關(guān)數(shù)據(jù)可以查詢(xún)?cè)謨?cè)。

2.2 二極管結(jié)溫計(jì)算

在超大功率脈沖整流系統(tǒng)中，每只元件是工作在通態(tài)浪涌狀態(tài)下，元件結(jié)溫計(jì)算不能按照常規(guī)的結(jié)溫計(jì)算方法進(jìn)行，應(yīng)該根據(jù)元件的浪涌下的瞬態(tài)熱阻參數(shù)計(jì)算，計(jì)算公式如下：

其中Z為元件瞬態(tài)熱阻，取3.1℃/kW；P為二極管元件通態(tài)損耗。

在脈沖式整流系統(tǒng)中，二極管元件的熱量無(wú)法在脈沖周期內(nèi)有效散失，結(jié)溫計(jì)算也是假設(shè)二極管所有熱量均不散失的情況下進(jìn)行等效計(jì)算。所以在最大環(huán)境溫度為40℃的情況下，二極管元件最大結(jié)溫為129.1℃，小于元件的最大內(nèi)部等效結(jié)溫150℃。

3 元件結(jié)溫仿真

根據(jù)以上的相關(guān)計(jì)算，采用ANSYS軟件對(duì)二極管元件進(jìn)行建模；仿真中的邊界條件主要分兩類(lèi)，芯片的發(fā)熱功率和溫度的設(shè)置。對(duì)于發(fā)熱功率的設(shè)置是根據(jù)實(shí)際工況，將器件的功率以生熱率的形式加載到芯片中；對(duì)于溫度及材料屬性設(shè)置是將器件初始溫度全部設(shè)置為40℃，自然冷卻。

根據(jù)仿真結(jié)果可以看到，在直流側(cè)短路電流350 kA工況下，1 s內(nèi)二極管元件的最大結(jié)溫在131℃左右，小于元件最大結(jié)溫150℃，與計(jì)算結(jié)果基本相符。

4 結(jié)論

在超大功率脈沖整流系統(tǒng)中，元件選型及結(jié)溫計(jì)算必須按照元件的通態(tài)浪涌特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，在該脈沖式硅整流系統(tǒng)中，通過(guò)計(jì)算與仿真驗(yàn)證了該計(jì)算方法和設(shè)計(jì)思路的正確性。合理利用半導(dǎo)體器件的浪涌通流特性，使超大功率脈沖系統(tǒng)的工程化應(yīng)用更合理，對(duì)大容量試驗(yàn)、脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)等領(lǐng)域產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供一定的參考作用。

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Calculation and Simulation of Junction Temperature of Semiconductor in High Power Pulse Rectifier System

Ning Zuoqing1, Zhou Shutang2

(1.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China；2. PLA’s Military Representatives Office in 3303 Factory, Wuhan 430200 ,China)

High power pulse rectifier system is more widely used in special electrical industry. Because the single pulse of power is very high, the rational use of rectifying elements’ surge current characteristic is the key of the rectification system stability and reliability. Taking a high power pulse rectifier device applications as the background, this paper presents a design method that uses rectifying element surge flowing characteristic to calculate element temperature ,and verifies by simulation method. Also, the paper puts forward some guidance for semiconductor device selection and calculation in other pulse rectifier system.

pulsed; rectifier system; surge current; junction temperature

TM461

A

1003-4862（2017）01-0049-03

2016-06-15

甯佐清（1975-）男，本科。研究方向：開(kāi)關(guān)電器試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。Email:ningzuoqing712@163.com