TCR型SVC中BOD在晶闸管过电压保护的应用

TCR型SVC中BOD在晶闸管过电压保护的应用

BOD TCR 晶闸管过电压保护

1 引言

随着电力电子技术的发展，尤其是电力电子器件制造技术的发展，在高电压大电流领域，如HVDC、SVC，晶闸管还占有重要的地位。高压半控型器件晶闸管的作用尤为突出，但电力电子器件过电压过电流的能力很弱，在应用中采用增加器件的设计裕度及各种保护措施来增加器件使用的安全性。其中，采用BOD(Break Over Diode)作为晶闸管过电压保护核心器件的方式，由于其快速性、无需工作电源、可靠性高，在TCR型SVC晶闸管阀组保护中得到应用。只要保护电路设计参数选择合理，就能对晶闸管进行可靠保护，特别是在晶闸管的串联应用中。

2 BOD简介

2.1 BOD的物理结构

BOD是一种具有四层结构的晶闸管，是一种晶闸管类的二极管，一般称之为穿通二极管或转折二极管，其结构和P—N—P—N开关二级管类似但没有门级引出线。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3~5μs。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dv/dt。但由于其非对称结构，反向耐压低。

图1 BOD的物理结构及表示符号

2.2 BOD的特性

(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UBO时，BOD被击穿而导通，典型转折电流IBO为15~30mA，当流过BOD的电流低于维持电流50mA时BOD恢复关断。

图2 BOD的伏安特性

(2)阻断特性

由于BOD与被保护的晶闸管同属于硅材料半导体器件，它们的最大的雪崩击穿电场强度Emax≈2×105V/cm，转折电压有相同的温度特性：

UBO(TVJ) =UBO(TO) [1 +KT(TVJ -TO) ]

(1)

式中：T O——参考温度T O=25 ℃；

T VJ——运行结温；

K T——温度系数(K T=2×10-3 K-1〕；

K-1是国际温度单位-开尔文。

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TA 下的转折电压等于或低于晶闸管的额定电压，即：

(2)

此时的转折电流IBO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：

(3)

式中，α为温度系数，α=0.01 K-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1~5μs，最终结温TVJ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：

(4)

式中V s——硅片有效体积；

C s——硅片比热；

ρs——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25kHz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tq：

t q= 20μs（ITM= 100 A，tp= 20 μs，dV/dt= 1500V/μs，TJ= 125℃）。

(5)dV/dt能力

BOD的耐dV/dt的能力在多数情况下必须超过其保护晶闸管的dV/dt，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TA=40~ 70℃，有利于系统的dV/dt能力的提高。目前达到以6000V/μs上升到0.67UBO的水平。

3 BOD在TCR型SVC中的应用电路及参数选择

3.1 典型应用电路

图3 采用BOD晶闸管过电压保护典型电路

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R2及防止BOD承受反向过电压的二极管D2连接于被保护晶闸管的阳极和阴极之间。低通滤波支路R1、C1阻止由于正向dV/dt 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。R1与C1的推荐值分别为100~1000 Ω，0.1~1 μF。稳压管D4防止低电压干扰信号使晶闸管误触发。D3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RSCS相比，如果电压上升速率dV/dt低，电容CS上已充电至击穿电压UBO，这时击穿导通电流峰值：

(5)

如果dV/dt高，则晶闸管的结电容充电至UBO，此时；

(6)

3.2 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)由式(2)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ITM大小及脉宽tp，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IGTM；

(3)根据功率损耗曲线，由式(4)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式(1)和式(3)计算实际运行时的UBO及IBO，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UBO及ITM大小选择限流电阻R2及保护二极管D2；

(6)根据被保护晶闸管的结电容和BOD器件的di/dt能力确定R1、C1；

(7)进行试验验证。

4 试验结果分析

在TCR静补工程中，笔者采用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，进行了如下试验，接线如图4。

图4 BOD实验线路图

试验线路参数如下：

调压器(单相)：SN=20kVA，U1N= 220V，U2N=0～420V，uk=10%；

升压变压器(单相):SN=20kVA，U1N/U2N=220V/10000V，uk=5%；

C0=0.5μF/8kV，Rs=54 Ω；

Cs=0.44μF/4k V，

R5=R6=120 Ω；