晶闸管暂态模型研究及其应用

郑欣良，何娜，高强

（海军工程大学， 武汉 430033）

晶闸管暂态模型研究及其应用

郑欣良，何娜，高强

（海军工程大学， 武汉 430033）

晶闸管关断时过电压是晶闸管损坏的一个主要原因，所以准确有效的分析晶闸管的暂态关断特性对系统设计和晶闸管应用是非常重要的。基于此项原因，本文系统地研究了晶闸管暂态恢复过程特性，针对晶闸管电流脉动特点，详细的分析了其暂态关断过程，建立了其暂态恢复过程的数学模型，分析了在三相整流电路中晶闸管模型的工作情况，并利用软件进行了仿真实现,仿真结果与理论分析基本一致，验证了工作的正确性。

晶闸管 关断过电压 暂态恢复模型

0 引言

晶闸管广泛应用于高电压、大功率的电力电子系统中，其晶闸管的反向恢复过电压问题受到了越来越多的关注。影响晶闸管反向恢复过电压的因素是多方面的，如果电路参数设计不当，过电压不仅会使元件击穿，而且还会影响到周围设备的绝缘。通过构造晶闸管模型可预测晶闸管导通、关断过程中的瞬态电流、电压，为合理设计晶闸管吸收电路、确定器件的安全工作条件提供依据[1,2]。本文研究了晶闸管暂态恢复特性，详细的分析了其暂态关断过程，建立了其暂态恢复模型，验证了晶闸管暂态恢复特性。最后仿真结果与理论分析相吻合较好的验证了本文所做工作的正确性。

1 晶闸管暂态特性的研究

1.1 晶闸管暂态特性

晶闸管是三端四层半导体开关器件，共有三个PN结，属于双极性功率器件，具有低掺杂、大注入的基区。晶闸管在导通时，基区被注入了大量的载流子（空穴和电子）。晶闸管在关断时，由于基区存储的载流子不能立即消失，不可能立即恢复其阻断能力，必须先将其内部的剩余载流子复合掉，晶闸管才能恢复阻断，该过程被称为晶闸管的反向恢复过程，如图1所示。图1中给出了晶闸管关断时的电压电流变化曲线，可以看出在电流过零时晶闸管还无法关断，而是以电路漏感决定的换向斜率di/dt在反方向建立恢复电流，即电流继续下降转变为负值，直到电荷完全被复合掉，这时电流达到反向最大值IRM，此时晶闸管恢复反向阻断能力，并可靠关断，由于晶闸管关断，此反向电流开始迅速减小趋向于零。由于反向电流峰值相当高，并且关断时间非常短，普通晶闸管的关断时间约几十微秒左右，用于高频开关电路的高频晶闸管的关断时间小于10 μs，在恢复电流快速衰减时，在相连电路的电感（包括导线电感）上会出现比较大的电压跳变ΔV，此感应电压与固有的加在晶闸管上面的反向反压一起将引起晶闸管两端出现尖峰电压VRRM，这个电压如果太大，就会损坏晶闸管。

1.2 晶闸管关断过程的详细分析

上面分析了晶闸管关断暂态特性，下面将详细研究晶闸管关断过程，图2是用来分析晶闸管从正向导通到反向关断的常用电路。

图2 分析晶闸管关断过程的常用电路

电路工作过程如下：开始事，开关S1打到1的位置，晶闸管导通，流过电流为ISCR，此时晶闸管承受电压为零，吸收电路（RS、CS）不起作用，在t=tT时刻，S1打到2的位置，则反向电压VR加到晶闸管两侧，使晶闸管承受反向电压，晶闸管开始进入关断过程。整个关断过程可分为下面四个阶段：

第一阶段：如图3（a）所示，此时晶闸管正常导通，流过电流i=iSCR=iT。此时晶闸管中流过电流对应于图3（b）中箭头所指阶段。

第二阶段：在时间t=tT时刻，将开关打到2的位置，电路如图4（a）所示，反向电压VR加载到晶闸管两端，此时晶闸管不会立即截止而仍处于导通状态，所以吸收电路仍然不起作用，由于电感LC的作用，电流以斜率di/dt=VR/LC的速率开始下降，直到衰减为零。（对应图4（b）中箭头所指区域）

图3第一阶段图像

第三阶段：如图5所示，当电流下降到零，晶闸管本该关断，但由于器件内部特性，内部载流子还存储了过剩的电荷，需要复合掉这些电荷器件才能关断，所以在电流下降到零之后会反向继续流动，这个时候晶闸管仍然处在导通状态，直到达到反向恢复电流最大值的IRM，此时载流子电荷消耗完毕，器件恢复关断。（对应图5（b）中箭头所指区域）

第四阶段：如图6所示，反向电流达到最大值IRM后，随着晶闸管器件的阻断功能的恢复，反向电流迅速衰减到零，（对应图6（b）中箭头所指区域）。这个大的电流变化率，会在电路的杂散电感上面感应出较大的反向电压ΔV，与固有反向电压VR一起加在晶闸管上，如果电压之和达到一定的程度，则管子会损坏击穿损坏，这就是晶闸管关断过电压损坏，应尽量避免出现这种情况。

图4 第二阶段图像

图5 第三阶段图像

从上面分析可以看出，晶闸管关断时承受的反压VAK是由两部分组成：一部分是固有加载反向电压VR，一部分是由于电流快速变化感应出的电压ΔV，VR是不能改变的，所以要想保护晶闸管，只能减小ΔV，有两个办法，一个是增大电流衰减时间来减小di/dt，另外一个方法就是通过加入吸收电路，来分担电流，从而减小di/dt。对于目前来说，比较常用有效的办法都是加装吸收电路RC。

图6 第四阶段图像

通常所说的晶闸管关断暂态过程是指电流为负值的情况，即上面图5与图6所指的这两部分：电流下降为反向最大与快速衰减到零。

1.3 晶闸管暂态关断模型

对于晶闸管暂态恢复过程的数学描述，有两个数学模型，一个是指数函数模型，一个是双曲线函数模型，分别如式（1）、（2）所示。利用指数函数模型来模拟反向恢复电流，有效克服了假定晶闸管突然完全截止分析方法的缺点，对于绝大多数“软恢复”的晶闸管均很适合，并能够得到较为精确的结果，而且大量实践证明用指数模型完全可以满足工程设计要求，虽然计算比较繁琐，但通过计算机仿真很容易实现。另外，也有文献建议采用双曲函数来近似模拟反向恢复电流，可以使峰值处的过渡更加自然，更接近实际的恢复电流波形，在某些场合比指数模型还精确一些；但是由于双曲函数的时间参数确定比较复杂，不太适合一般工程应用，对一般的应用者有一定的难度。故本文将PN结的反向恢复电流近似为按指数函数衰减。晶闸管暂态数学模型如式（1）所示，反向恢复电流在t小于等于ta时，以-di/dt的斜率线性上升到-Irr，然后在t大于ta时此电流按指数函数衰减。

对于模型中时间常数τ的推导过程如下。

如图7所示，假定电流的反向恢复时间为trr，这个反向恢复时间应该是指数衰减曲线与时间轴的交点A点，但是为了方便计算，大多数的厂商将trr定义为连接反向恢复电流峰值点和-0.25Irr点的直线与时间轴的交点，即图7中的B点所示。反向恢复电荷Qrr（图中的阴影部分面积）则近似为时间轴0点、trr和-Irr所围成的三角形的面积，如下所示：

设反向恢复电流按指数函数衰减到0.25Irr时的时间为t1（如图7所示），则可得下列关系式：

解得：

来进行近似。此外，对于模型中涉及到得各个参数，均可以方便的从器件厂家提供的器件手册中得到，所以此模型非常方便实现与应用。

2 软件仿真验证

2.1 晶闸管暂态仿真

首先针对一个晶闸管关断过程进行仿真，仿真结果如图8所示：上方图为电流波形，下面为电压波形，可以看出在电流瞬间减小的时候，感应出较大的电压加在晶闸管的两端。

利用这个暂态模型，可以验证吸收电路的性能。根据仿真结果可以得知，将吸收电容增大，反向冲击电压将变小，而将吸收电容减小，反向冲击电压则将变大。

2.2 三相整流电路中晶闸管暂态模型仿真

从上面的分析我们可以看出，由于晶闸管的关断特性，在关断过程中会产生反向过电压。为了更好地分析，有必要在实际的电路系统中研究晶闸管的暂态过程。基于此，在本文中，以图14所示的三相整流电路为例，研究在实际系统中工作的晶闸管的暂态过程。

三相整流电路有六个晶闸管。我们仅在关断过程中把A相上桥臂的晶闸管用暂态模型来进行分析。为了更好地比较，其余晶闸管都认为是理想开关，触发角为0。

仿真结果如图9-10所示。流过A相上桥臂晶闸管的电流如图9所示。在考虑了晶闸管的暂态关断过程后，电流的暂态恢复过程很好的反映了出来。但是其它的认为理想开关的晶闸管的关断过程中，电流没有反向恢复过程就直接截断了，与实际情况不符。

图10为流过A相上下桥臂的电流，A相上桥臂的晶闸管电压和整流后的电流。与上述结论类似，在考虑了晶闸管的暂态关断过程后，电流的暂态恢复过程以及其过电压可以很好的反应了出来。但是其余认为理想开关的晶闸管的关断过程中，电流没有反向恢复过程就直接截断了。

图10 曲线1为流过A相上桥臂晶闸管的电流，曲线2为流过A相下桥臂晶闸管电流，曲线3为A相上桥臂晶闸管电压，曲线4为A相下桥臂晶闸管电压。仿真结果和理论推导对晶闸管的暂态换向回路研究有重要的指导意义。晶闸管的换向回路在图11中以虚线框出。晶闸管电压为交流线电压与换向过程产生的感应过电压之和，换向过程产生的感应过电压主要由漏感决定。

3 实验结果

结果如图12所示。图12为A相上桥臂晶闸管的电流电压波形，上方曲线为流经A相上桥臂晶闸管的电流波形，下方曲线为晶闸管的电压波形。可以看出，实验结果与仿真结果基本一致。

图11 换向回路分析

图12 A相上桥臂晶闸管电流电压波形

4 结论

本文分析了晶闸管暂态恢复特性，详细的研究了其暂态关断过程，并从工程实用角度，建立了晶闸管暂态恢复模型，进行了单个晶闸管暂态特性仿真，验证了晶闸管暂态恢复特性；最后仿真结果与理论分析相吻合较好的验证了本文所做工作的正确性。

[1] James Di Sarro, Elyse Rosenbaum. A scalable SCR compact model for ESD circuit simulation. IEEE CFP08RPS-CDR 46#Annual International Reliability Physics Symposium, Phoenix, 2008.

[2] Lifang Lou, Juin J.Liou. An improved compact model of silicon-controlled rectifier (SCR) for electrostatic discharge (ESD) applications. IEEE transactions on electron devices, 2008, 55(10).

[3] William D. Walker, William F. Weldon. Thermal modeling and experimentation to determine maximum power capability of SCR’s and Thyristors. IEEE transactions on power electronics, 1999, 1(14).

Research on SCR Transient Model and Its Applications in Three-phase Rectifier System

Zheng Xinliang, He Na, Gao Qiang

(Naval University of Engineering, Wuhan, 430033，China)

The voltage overshoot when SCR turns off is the main damage cause for SCR in engineering applications. So it is very important to analyze SCR transient turn-off character for system design and device application. Based on that, this paper focuses on detailed transient turn-off process of SCR and builds the SCR transient recovery mathematical model. Besides, in this paper the proposed SCR transient recovery model is well embedded into three-phase rectifier system model. Finally, the simulation results coincide well with the theoretical analysis results, which verify the correctness of the work in this paper.

silicon controlled rectifier; transient recovery character; transient recovery model

TN349

A

1003-4862（2013）05-0012-05

2012-09-17

郑欣良（1989-）, 男，硕士。研究方向：电力电子、电力拖动。