收稿日期:1999209224作者简介:蓝元良(19702),男,湖南籍,工程师,主要从事FA CT S 及有源滤波方面的研究工作。

B OD 在晶闸管过电压保护中的应用研究蓝元良,汤广福,张　皎,金　钊(中国电力科学研究院,北京100085)摘要:本文描述了BOD 器件的物理结构及特性,论述了BOD 在晶闸管过电压保护应用中的典型电路设计及参数选择原则,最后通过TCR 工程具体实例,给出实验结果。

关键词:BOD ;晶闸管;过电压保护;TCR中图分类号:TN 355;TM 864 文献标识码:A 文章编号:100323076(2000)03200512041　前言随着电力电子技术的发展,特别是电力电子器件的发展,在工业和商业应用中,半控型器件如晶闸管逐渐被全控型器件如GTO 、IGB T 、M O SFET 等器件所取代,并朝着大功率与智能化方向发展。

但现阶段,在高电压、大电流应用领域中,如HVDC 、高压SV C 等,晶闸管仍然占有一席之地。

尤其是采用晶闸管技术的电力电子设备还没有真正退出历史舞台之前,如何使这些设备继续稳定可靠运行,仍具有很大的经济效益。

在应用中,由于电力电子器件其固有的脆弱性,单靠增加器件的设计裕度来增加整个设备的可靠性是一种不经济亦无必要的措施。

一般做法是采用各种保护措施来充分利用器件的容量。

BOD (B reak O ver D i ode )作为晶闸管的过电压保护器件,由于其快速性,只要保护电路设计参数选择合理,就能对晶闸管进行元件级可靠保护,特别是在晶闸管的串联应用中。

2　B OD 的物理结构及特性211　物理结构BOD 的英文名称为击穿二极管,其实它是一种具有四层结构的晶闸管,其剖面结构示意图见图1。

BOD 被击穿而完全导通,整个过程大约3～5Λs [1]。

由于在阴极采用了p +扩散的短路发射极结构,因而获得很高的d v d t 。

但由于其非对称结构,反向耐压低,一般低于10V 。

212　B OD 特性[2](1)伏安特性BOD 的伏安特性如图2所示,阳极和阴极所加电压达到U B O 时,BOD 被击穿而导通,典型转折电流I BO 为1～5mA ,当流过BOD 的电流低于维持电流I H (典型50mA )时,BOD 恢复关断。

(2)阻断特性由于BOD 与被保护的晶闸管同属于硅12金属化层,22p +,32n 区,42n +发射极,52p 区,62玻璃钝化层图1　BOD物理结构及表示符号图图2　BOD 的伏安特性材料半导体器件,它们的最大的雪崩击穿电场强度E m ax ～2×105v c m ,转折电压有相同的温度特性:U BO (T J )=U B O (T O)1+K T (T J -T O)(1)式中,T O ——参考温度(如T O =25℃〕;T J ——运行结温;K T ——温度系数(K T =10-3K -1〕;因此,BOD 能在很大的温度范围内对晶闸管进行保护。

一般而言,BOD 在最大环境温度T A 下的转折电压等于或低于晶闸管的额定电压,即:U B O (T A )≤U D RM (2)此时的转折电流I B O 也应与晶闸管的门极门槛电流相对应,转折电流的温度特性:I B O (T J )=I B O (T O )3exp -Α(T J -T O)(3)式中,Α为温度系数,Α=0.01K -1。

(3)开通特性在大多数应用情况下,BOD 提供十分短暂的脉冲电流,脉宽大约1～5Λs ,最终结温T J 可以通过功率损耗、热阻和绝热计算得到,后者在窄脉冲及高频开关情况下非常重要。

由绝热引起的温升近似为:∃T J =E PV s C s Θs=727 E p(4)式中,V s ——硅片有效体积;C s ——硅片比热;Θs ——硅片比重;E p ——脉冲能量;(4)关断时间由于BOD 属于晶闸管,它也存在关断时间,为了适应频率高达25KH Z 的应用,它已被设计成为一种快速关断装置,典型的关断时间t q =20Λs (I TM =100A ,t p =20Λs,d v d t =1500v Λs,T J =125℃)。

(5)d v d t 能力BOD 的耐d v d t 的能力在多数情况下必须超过其保护晶闸管的d v d t ,这样可以通过短路发射极结构实现,而且它是晶闸管的外部保护元件,它运行在更低的环境温度,典型T A =40～70℃,有利于系统的d v d t 能力的提高。

目前达到以6000v Λs 上升到0167U B O 的水平。

3　典型应用电路及参数选择311　典型应用电路图3为采用BOD 的晶闸管过电压保护典型应用电路。

BOD 通过串联一个限流电阻R 2及防止BOD 承受反向过电压的二极管D 2连接于被保护晶闸管的阳极和阴极之间。

低通滤波支路R 1,C 1阻止由于正向d v d t BOD产生的偏移电流,防止寄生触发,在BOD 击穿时,它还起到延缓晶闸管门极电流作用时间,减少晶闸管的开通损耗。

R 1与C 1的推荐值分别为100～10008,22～100nF 。

稳压管D 4(可选)防止低电压干扰信号使晶闸管误触发。

D 3所在支路为晶闸管正常工作时的触发电路。

与缓冲电路的时间常数R S C S 相比,如果电压上升速率d v d t 低,电容C S 上已充电至击穿电压U B O ,这时击穿导通电流峰值:I TM =U B O (R S +R 2)(5)如果d v d t 高,则晶闸管的结电容充电至U BO ,此时,I TM =U B O R 2(6)图3　采用BOD 晶闸管过电压保护典型应用电路312　参数选择由以上BOD 的特性及应用电路分析,可总结参数选择的一般步骤如下:①由(2)式初步确定UBO 的大小;②根据晶闸管的门极触发特性确定BOD 的击穿导通电流峰值I TM 大小及脉宽t p ,BOD 导通电流必须能使晶闸管可靠触发导通,但电流峰值不能超过晶闸管门极最大电流值I GTM ;③根据功率损耗曲线,由(4)式或厂家提供的BOD 热阻曲线,计算结温;④将计算所得的结温代入(1)和(3)式计算实际运行时的U B O 及I B O ,若符合要求,则进行步骤⑤,不符合要求,则重复进行步骤①～④;⑤由U B O 及I TM 大小选择限流电阻R 2及保护二极管D 2;⑥根据被保护晶闸管的结电容和BOD 器件的d i d t 能力确定R 1、C 1;⑦进行试验验证。

4　试验及结果分析[3]在TCR 静补工程中,我们采用BOD 对晶闸管进行过电压保护,按上述步骤确定保护电路各参数,试验参数与实际运行参数一致。

为了充分利用BOD ,用一个BOD 对反并联晶闸管同时进行保护,所以增加了一个快恢复整流桥。

为了验证BOD 的保护特性,我们进行了如下试验,试验接线如图4。

图4　BOD 试验线路图试验线路参数如下:调压器(单相):S N =20kVA ,U 1N =220V ,U 2N =0-420V ,u k =10◊,升压变压器(单相):S N =20kVA ,U 1N U 2N =220V 10000V ,u k =5◊,C 0=0.5ΛF 8kV ,R s =548,C s =0.44ΛF 4kV ,R 5=R 6=1208,C 1=C 2=0.068ΛF,R 3=R 4=1208,T 1,T 2:1700A 3800V ,BOD:V B O =3400V 。

由调压器逐渐升压,直至BOD 动作,所得晶闸管两端电压波形如图5所示。

可见晶闸图5　BOD动作时晶闸管两端电压波形管两端电压升至3400V时BOD动作,同时晶闸管导通;波形中含有高次谐波成分,这是升压变压器和调压器的漏抗与电容C0在晶闸管导通后构成约250H z的谐振,使得晶闸管出现电流为正、电压为负的情况。

晶闸管门极触发电流波形如图6所示,电流峰值约14A,脉宽约1Λs,表明晶闸管触发后,BOD 电流在约1Λs内很快小于其维持电流而关断,晶闸管在1Λs左右开通而获得保护。

5　结论BOD作为晶闸管元件级保护器件,由于其快速开通和快速恢复关断的特性,在过电压保护电路设计及参数选择合理的前提下,能对晶闸管进行可靠保护,特别是在晶闸管图6　BOD动作时晶闸管门极触发电流波形的串联应用中。

本文通过TCR工程实践,来论述BOD在晶闸管过电压保护电路设计中的一般步骤,并通过具体电路及试验,验证其正确性,为BOD的应用提供参考经验。

参考文献:[1]　A A Jaeck lin,H L aw atsch.A h igh2speed thy2risto r w ith op ti m um turn2on behavi o r[J].B row n Boveri R ev.,1979,66:11-16.[2]　H erbert M L aw atsch,Janis V itins.P ro tectinof thyristo r against overvo ltage w ithbreakover di ode[J].IEEE T rans.on Indus2try A pp licati ons,1988,24:444-448.[3]　汤广福.大功率晶闸管串联技术及其在静补工程中的应用研究[D].北京:国家电力公司电力科学研究院,1998.Study of B OD’s appl ica tion i n thyr istorprotection aga i n st overvoltageLAN Yuan2liang,TAN G Guang2fu,ZHAN G J iao,J I N Zhao(T he E lectric Pow er R esearch In st.of Ch ina,B eijing100085,Ch ina)Abstract:T h is p ap er describes the physical structu re and the perfo r m ance of the BOD.T he design ing m ethod and its param eters are discu ssed th rough the BOD’s typ ical app licati on of the thyristo r p ro tecti on again st overvo ltage.F inally the experi m en tal resu lts are given th rough the sp ecial TCR engineering.Key words:b reakover di ode;thyristo r;overvo ltage p ro tecti on;thyristo r con tro lled reacto r。