1 引言

      隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是電力電子器件制造技術(shù)的發(fā)展，在高電壓大電流領(lǐng)域，如HVDC、SVC，晶閘管還占有重要的地位。高壓半控型器件晶閘管的作用尤為突出，但電力電子器件過(guò)電壓過(guò)電流的能力很弱，在應(yīng)用中采用增加器件的設(shè)計(jì)裕度及各種保護(hù)措施來(lái)增加器件使用的安全性。其中，采用BOD（Break Over Diode）作為晶閘管過(guò)電壓保護(hù)核心器件的方式，由于其快速性、無(wú)需工作電源、可靠性高，在SVC晶閘管閥組保護(hù)中得到應(yīng)用。只要保護(hù)電路設(shè)計(jì)參數(shù)選擇合理，就能對(duì)晶閘管進(jìn)行可靠保護(hù)，特別是在晶閘管的串聯(lián)應(yīng)用中。

2  BOD簡(jiǎn)介

2.1 BOD的物理結(jié)構(gòu)

      BOD是一種具有四層結(jié)構(gòu)的晶閘管，是一種晶閘管類(lèi)的二極管，一般稱(chēng)之為穿通二極管或轉(zhuǎn)折二極管，其結(jié)構(gòu)和P—N—P—N開(kāi)關(guān)二級(jí)管類(lèi)似但沒(méi)有門(mén)級(jí)引出線(xiàn)。其剖面結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。BOD被擊穿而完全導(dǎo)通，整個(gè)過(guò)程大約3~5μs。由于在陰極采用了p+擴(kuò)散的短路發(fā)射極結(jié)構(gòu)，因而獲得很高的dv/dt。但由于其非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，反向耐壓低。
2.2  BOD的特性
(1)伏安特性

      BOD的伏安特性如圖2所示，陽(yáng)極和陰極所加電壓達(dá)到U_BO時(shí),BOD被擊穿而導(dǎo)通，典型轉(zhuǎn)折電流I_BO為15~30mA，當(dāng)流過(guò)BOD的電流低于維持電流50mA時(shí)BOD恢復(fù)關(guān)斷。

圖2   BOD的伏安特性

 (2)阻斷特性

      由于BOD與被保護(hù)的晶閘管同屬于硅材料半導(dǎo)體器件，它們的最大的雪崩擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度Emax≈2×10⁵v/cm，轉(zhuǎn)折電壓有相同的溫度特性：

U_BO(T_VJ) =U_BO(T_O) [1 +K_T(T_VJ -T_O) ]     (1)

式中：T_O——參考溫度T_O=25 ℃；

T_VJ——運(yùn)行結(jié)溫；

K_T——溫度系數(shù)(K_T=2*10^-3  K^-1〕；

      因此，BOD能在很大的溫度范圍內(nèi)對(duì)晶閘管進(jìn)行保護(hù)。一般而言，BOD在最大環(huán)境溫度T_A下的轉(zhuǎn)折電壓等于或低于晶閘管的額定電壓，即：

U_BO(T_A)≤U_DRM             

(2)此時(shí)的轉(zhuǎn)折電流I_BO也應(yīng)與晶閘管的門(mén)極門(mén)檻電流相對(duì)應(yīng)，轉(zhuǎn)折電流的溫度特性：

I_BO(T_VJ) = I_BO(T_O) exp[ -α(T_VJ -T_O)]    (3)

式中，α為溫度系數(shù)，α=0.01 K^-1。

(3)開(kāi)通特性

      在大多數(shù)應(yīng)用情況下，BOD提供十分短暫的脈沖電流，脈寬大約1~5μs，最終結(jié)溫T_VJ可以通過(guò)功率損耗、熱阻和絕熱計(jì)算得到，后者在窄脈沖及高頻開(kāi)關(guān)情況下非常重要。由絕熱引起的溫升近似為：

ΔT_VJ =E_P/VsCsρs = 727Ep     (4)

式中 Vs——硅片有效體積；

Cs——硅片比熱；

ρs——硅片比重；

Ep——脈沖能量；

(4)關(guān)斷時(shí)間

      由于BOD屬于晶閘管，它也存在關(guān)斷時(shí)間，為了適應(yīng)頻率高達(dá)25kHz的應(yīng)用，它已被設(shè)計(jì)成為一種快速關(guān)斷裝置，典型的關(guān)斷時(shí)間tq:

tq= 20μs(I_TM= 100 A，tp= 20 μs，dV/dt= 1500 v/μs，T_J= 125 ℃)。

(5)dV/dt能力

      BOD的耐dV/dt的能力在多數(shù)情況下必須超過(guò)其保護(hù)晶閘管的dV/dt，這樣可以通過(guò)短路發(fā)射極結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，而且它是晶閘管的外部保護(hù)元件，它運(yùn)行在更低的環(huán)境溫度，典型T_A=40~70 ℃，有利于系統(tǒng)的dV/dt能力的提高。目前達(dá)到以6000 v/μs上升到0.67U_BO的水平。

3.1 典型應(yīng)用電路

      圖3為采用BOD的晶閘管過(guò)電壓保護(hù)典型應(yīng)用電路。BOD通過(guò)串聯(lián)一個(gè)限流電阻R2及防止BOD承受反向過(guò)電壓的二極管D2連接于被保護(hù)晶閘管的陽(yáng)極和陰極之間。低通濾波支路R1，C1阻止由于正向dV/dt  BOD產(chǎn)生的偏移電流，防止寄生觸發(fā)，在BOD擊穿時(shí)，它還起到延緩晶閘管門(mén)極電流作用時(shí)間，減少晶閘管的開(kāi)通損耗。R1與C1的推薦值分別為100~1000 Ω，0.1~1 μF。穩(wěn)壓管D4防止低電壓干擾信號(hào)使晶閘管誤觸發(fā)。D3所在支路為晶閘管正常工作時(shí)的觸發(fā)電路。與緩沖電路的時(shí)間常數(shù)R_SC_S相比，如果電壓上升速率dV/dt低，電容C_S上已充電至擊穿電壓U_BO，這時(shí)擊穿導(dǎo)通電流峰值：

I_TM=U_BO/(R_S+R2)              

(5)如果dv/dt高，則晶閘管的結(jié)電容充電至U_BO,此時(shí)；

I_TM=U_BO/R2                 

圖3 采用BOD晶閘管過(guò)電壓保護(hù)的典型電路

3.2 參數(shù)選擇

由以上BOD的特性及應(yīng)用電路分析，可總結(jié)參數(shù)選擇的一般步驟如下：

(1)由式(2)初步確定U_BO的大??；                                          

(2)根據(jù)晶閘管的門(mén)極觸發(fā)特性確定BOD的擊穿導(dǎo)通電流峰值I_TM大小及脈寬tp，BOD導(dǎo)通電流必須能使晶閘管可靠觸發(fā)導(dǎo)通，但電流峰值不能超過(guò)晶閘管門(mén)極最大電流值I_GTM；

(4)將計(jì)算所得的結(jié)溫代入式(1)和式(3)計(jì)算實(shí)際運(yùn)行時(shí)的U_BO及I_BO，若符合要求，則進(jìn)行步驟(5)，不符合要求，則重復(fù)進(jìn)行步驟(1)~ (4)；

(5)由U_BO及I_TM大小選擇限流電阻R2及保護(hù)二極管D2；

(6)根據(jù)被保護(hù)晶閘管的結(jié)電容和BOD器件的di/dt能力確定R1、C1；

(7)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

      在SVC工程中，筆者采用BOD對(duì)晶閘管進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)，按上述步驟確定保護(hù)電路各參數(shù)，試驗(yàn)參數(shù)與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)一致。為了充分利用BOD，用一個(gè)BOD對(duì)反并聯(lián)晶閘管同時(shí)進(jìn)行保護(hù)，所以增加了一個(gè)快恢復(fù)整流橋。為了驗(yàn)證BOD的保護(hù)特性，進(jìn)行了如下試驗(yàn)，試驗(yàn)接線(xiàn)如圖4。

圖4   BOD實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路圖

試驗(yàn)線(xiàn)路參數(shù)如下：

調(diào)壓器(單相)：S_N= 20 kVA，U_1N= 220 V，U_2N= 0～420 V，uk= 10%；

升壓變壓器(單相):S_N= 20 kVA，U_1N/U_2N= 220V/10000V，uk= 5%；

C₀= 0.5μF/8kV，Rs= 54 Ω；

Cs= 0.44μF/4kV，R5=R6= 120 Ω；

C1=C2= 0.068 μF，R3=R4= 120 Ω；

T1,T2：1700A /3800V，BOD：V_BO= 3400 V。

       如圖5所示示波器檢測(cè)到的BOD動(dòng)作時(shí)晶閘管兩端電壓及觸發(fā)波形，（1）部分是晶閘管兩端的電壓波形，示波器表筆使用的是差分探頭調(diào)至x10擋的，由調(diào)壓器逐漸升壓，直至BOD動(dòng)作。

（2）部分是過(guò)壓是的觸發(fā)脈沖波形，晶閘管兩端電壓升至約3400 V時(shí)BOD發(fā)出的觸發(fā)脈沖信號(hào)使晶閘管導(dǎo)通；實(shí)際波形中含有5次諧波成分，這是升壓變壓器和調(diào)壓器的漏抗與電容C₀在晶閘管導(dǎo)通后構(gòu)成約250 Hz的諧振，使得晶閘管出現(xiàn)電流為正、電壓為負(fù)的情況。晶閘管門(mén)極觸發(fā)電流峰值約15 mA，脈寬約3 μs，表明晶閘管觸發(fā)后，BOD電流在約3 μs內(nèi)很快小于其維持電流而關(guān)斷，晶閘管在3 μs左右開(kāi)通而獲得保護(hù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

      BOD作為晶閘管保護(hù)器件，由于其快速開(kāi)通和快速恢復(fù)關(guān)斷的特性，在過(guò)電壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇合理的前提下，BOD可用于所有需要防止晶閘管承受過(guò)電壓和高dV/dt的場(chǎng)合。能對(duì)晶閘管進(jìn)行可靠保護(hù)，特別是在晶閘管的串聯(lián)應(yīng)用中。本文通過(guò)SVC工程實(shí)踐，來(lái)論述BOD在晶閘管過(guò)電壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)中的一般步驟，并通過(guò)具體電路及試驗(yàn)，驗(yàn)證其正確性，為BOD的應(yīng)用提供參考數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。