一种基于晶闸管开通延迟时间的晶闸管结温提取方法与流程

本发明涉及功率半导体器件，特别涉及一种基于晶闸管开通延迟时间的晶闸管结温提取方法。

背景技术：

1、高压直流输电是一种将交流电能转换为直流电能，在高压状态下进行输送，并在接收端通过另一个转换器将直流电转换为交流电的电力输送技术，在当下长距离电能输送中有着举足轻重的作用。作为高压直流输电核心设备换流阀的关键器件，晶闸管器件得到不断的研究和发展。晶闸管作为一个功率半导体器件，其性能受结温影响很大，因此实时监测晶闸管的结温尤为重要。常见的功率半导体器件结温提取方法有：物理接触法、数学建模法、温敏电参数法等。物理接触法方法的优点是测量准确，可以在非常宽广的温度范围内使用，测量结果也比较稳定，但是由于晶闸管压接式的封装结构，在晶闸管内部安装和布线较为困难。数学建模法需要考虑到晶闸管内部不同材料和结构的热导率，热容量等性质，且需要对其进行准确的物理建模和模拟。同时，该方法的计算成本和时间较高，需要使用较为专业的软件工具进行计算和分析。温敏感电参量法测量晶闸管结温有非接触式测量、实时性强、精度高等优点，但目前尚未有研究报道晶闸管开通延迟时间这一参数与晶闸管结温之间关系。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种基于晶闸管开通延迟时间的晶闸管结温提取方法。本发明可以基于晶闸管开通延迟时间来提取晶闸管结温，具有低侵扰、易获取的优点。

2、本发明的技术方案：基于晶闸管开通延迟时间的晶闸管结温提取方法，根据温敏电参数的晶闸管结温实验，探究晶闸管开通延迟时间-温度模型，并建立晶闸管结温校准测试平台，进行离线校准实验，得到晶闸管开通延迟时间-结温曲线，并据此构建电流-开通延迟时间-结温的三维曲线，通过三维曲线在已知电压、电流和开通延迟时间的情况下，反推晶闸管的结温。

3、上述的于晶闸管开通延迟时间的晶闸管结温提取方法，所述晶闸管开通延迟时间-温度模型的探究是基于晶闸管的基本结构，在晶闸管施加门级触发电流后，电流从门级流向阴极，门级电流使晶闸管的p基区形成压降，造成电子注入，其所用的时间为npn晶体管的基区输运时间，大小如下：

4、

5、式中：wp为p基区厚度；dn为n基区扩散系数；

6、当电子通过晶闸管的j2结后，阳极将会往晶闸管的n1区处注入空穴，以保证n基区的电中性，该过程所用时间为pnp晶体管的基区运输时间，大小如下

7、

8、其中，wn是n基区的厚度，wdn是耗尽区的厚度；dp为p基区扩散系数；

9、在开启的过程中，大量空穴从阳极流入n型漂移区，同时大量电子从n+阴极区流入n型漂移区，此时耗尽区无法维持，n基区全部分布着阳极电压，其电场为

10、

11、式中：enbn基区的电场；va是施加的阳极偏压；

12、空穴经过n基区的漂移速度为

13、

14、式中：vp为漂移速度；μp为p基区空穴的迁移率；

15、则pnp晶体管的基区空穴运输时间表示为：

16、

17、由于和载流子寿命相比，开启瞬态的时间相对较短，故n基区和p基区的复合过程忽略；

18、在开启过程中，随着晶闸管j2结处的电子收集，n基区储存的电子qsn将会增加，这些电子是n+阴极注入，故对于qsn有如下关系

19、

20、其中，jk为阴极电流密度；αpnp为pnp晶体管的共基极电流增益；

21、同理，p基区储存的空穴qsp将会增加，这些空穴是p+阳极注入，故对于qsp有如下关系：

22、

23、其中，ja为阳极电流密度，jg为门级电流密度；

24、npn晶体管的集电极电流经过运输时间后，与基区存储电荷有关：

25、

26、式中：为npn晶体管集电极的电流密度；为npn晶体管的共基极电流增益；

27、同理，pnp晶体管的集电极电流经过运输时间后，与基区存储电荷有关：

28、

29、式中：为pnp晶体管集电极的电流密度；pnp晶体管的共基极电流增益；

30、从而得到：

31、

32、对上式求一阶导得到：

33、

34、进而得到一个二阶微分方程

35、

36、其解为：

37、

38、式中，e为自然常数；

39、进而可得：

40、

41、设ja，ss为稳态时的阳极电流密度，则可以得到电流从0上升到稳态时的时间：

42、

43、从而获得开通延迟时间与晶闸管结温的函数关系。

44、前述的基于晶闸管开通延迟时间的晶闸管结温提取方法，所述晶闸管结温校准测试平台由测量电路和校准电路组成。

45、前述的基于晶闸管开通延迟时间的晶闸管结温提取方法，所述测量电路使用两个tlv3501高速比较器，tlv3501高速比较器可对输入的波形整形并输出ttl电平信号；当接线时，将其设置为反向比较器，其输出规则为：当输入信号的电压值大于tlv3501高速比较器的阈值时，tlv3501高速比较器输出低电平；当输入信号的电压值小于等于tlv3501高速比较器的阈值时，tlv3501高速比较器输出高电平，据此判断目标电压的变化情况。

46、前述的基于晶闸管开通延迟时间的晶闸管结温提取方法，所述校准电路包括直流高压源u、二极管、电容c、电阻r1、开关、电阻r2、晶闸管以及同轴电阻r；所述直流高压源u的正极连接二极管的阳极，二极管的阴极与电容c的一端、开关的一端以及电阻r1的一端连接；所述电阻r1的另一端与晶闸管的阳极连接；所述晶闸管的阴极与同轴电阻r的一端连接；所述开关的另一端与电阻r2的一端连接；所述直流高压源u的负极与电容c的另一端、电阻r2的另一端以及同轴电阻r的另一端连接。

47、与现有技术相比，本发明证明了晶闸管的开通延迟时间与温度具有非常紧密的联系，并提出了晶闸管开通延迟时间这一参数来用于提取晶闸管结温。本发明在离线校准实验中标定了不同电压下晶闸管电流、结温、开通延迟时间的关系，建立了有关电压、电流、晶闸管结温、晶闸管开通延迟时间四个参数的数据库，以此在电压电流确定的交流工况下，只需用测量电路测量出晶闸管的开通延迟时间，然后通过查表的方式就能得到晶闸管的结温。本发明具有低侵扰、易获取的优点，同时结构简单，结果较为准确。

技术特征：

1.基于晶闸管开通延迟时间的晶闸管结温提取方法，其特征在于：根据温敏电参数的晶闸管结温实验，探究晶闸管开通延迟时间-温度模型，并建立晶闸管结温校准测试平台，进行离线校准实验，得到晶闸管开通延迟时间-结温曲线，并据此构建电流-开通延迟时间-结温的三维曲线，通过三维曲线在已知电压、电流和开通延迟时间的情况下，反推晶闸管的结温。

2.根据权利要求1所述的于晶闸管开通延迟时间的晶闸管结温提取方法，其特征在于：所述晶闸管开通延迟时间-温度模型的探究是基于晶闸管的基本结构，在晶闸管施加门级触发电流后，电流从门级流向阴极，门级电流使晶闸管的p基区形成压降，造成电子注入，其所用的时间为npn晶体管的基区输运时间，大小如下：

3.根据权利要求1所述的基于晶闸管开通延迟时间的晶闸管结温提取方法，其特征在于：所述晶闸管结温校准测试平台由测量电路和校准电路组成。

4.根据权利要求3所述的基于晶闸管开通延迟时间的晶闸管结温提取方法，其特征在于：所述测量电路使用两个tlv3501高速比较器，tlv3501高速比较器可对输入的波形整形并输出ttl电平信号；当接线时，将其设置为反向比较器，其输出规则为：当输入信号的电压值大于tlv3501高速比较器的阈值时，tlv3501高速比较器输出低电平；当输入信号的电压值小于等于tlv3501高速比较器的阈值时，tlv3501高速比较器输出高电平，据此判断目标电压的变化情况。

5.根据权利要求3所述的基于晶闸管开通延迟时间的晶闸管结温提取方法，其特征在于：所述校准电路包括直流高压源u、二极管、电容c、电阻r1、开关、电阻r2、晶闸管以及同轴电阻r；所述直流高压源u的正极连接二极管的阳极，二极管的阴极与电容c的一端、开关的一端以及电阻r1的一端连接；所述电阻r1的另一端与晶闸管的阳极连接；所述晶闸管的阴极与同轴电阻r的一端连接；所述开关的另一端与电阻r2的一端连接；所述直流高压源u的负极与电容c的另一端、电阻r2的另一端以及同轴电阻r的另一端连接。

技术总结
本发明公开了一种基于晶闸管开通延迟时间的晶闸管结温提取方法，根据温敏电参数的晶闸管结温实验，探究晶闸管开通延迟时间‑温度模型，并建立晶闸管结温校准测试平台，进行离线校准实验，得到晶闸管开通延迟时间‑结温曲线，并据此构建电流‑开通延迟时间‑结温的三维曲线，通过三维曲线在已知电压、电流和开通延迟时间的情况下，反推晶闸管的结温。本发明可以基于晶闸管开通延迟时间来提取晶闸管结温，具有低侵扰、易获取的优点。

技术研发人员：陈忠,杨为,朱太云,官玮平,赵恒阳,蒙慧,罗皓泽
受保护的技术使用者：国网安徽省电力有限公司电力科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15