1 引言

      隨著電力電子技術的發(fā)展，尤其是電力電子器件制造技術的發(fā)展，在高電壓大電流領域，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，但電力電子器件過電壓過電流的能力很弱，在應用中采用增加器件的設計裕度及各種保護措施來增加器件使用的安全性。其中，采用BOD（Break Over Diode）作為晶閘管過電壓保護核心器件的方式，由于其快速性、無需工作電源、可靠性高，在SVC晶閘管閥組保護中得到應用。只要保護電路設計參數(shù)選擇合理，就能對晶閘管進行可靠保護，特別是在晶閘管的串聯(lián)應用中。

2  BOD簡介

2.1 BOD的物理結構

      BOD是一種具有四層結構的晶閘管，是一種晶閘管類的二極管，一般稱之為穿通二極管或轉折二極管，其結構和P—N—P—N開關二級管類似但沒有門級引出線。其剖面結構示意圖見圖1。BOD被擊穿而完全導通，整個過程大約3~5μs。由于在陰極采用了p+擴散的短路發(fā)射極結構，因而獲得很高的dv/dt。但由于其非對稱結構，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，陽極和陰極所加電壓達到U_BO時,BOD被擊穿而導通，典型轉折電流I_BO為15~30mA，當流過BOD的電流低于維持電流50mA時BOD恢復關斷。

圖2   BOD的伏安特性

 (2)阻斷特性

      由于BOD與被保護的晶閘管同屬于硅材料半導體器件，它們的最大的雪崩擊穿電場強度Emax≈2×10⁵v/cm，轉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——運行結溫；

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)對晶閘管進行保護。一般而言，BOD在最大環(huán)境溫度T_A下的轉折電壓等于或低于晶閘管的額定電壓，即：

U_BO(T_A)≤U_DRM             

(2)此時的轉折電流I_BO也應與晶閘管的門極門檻電流相對應，轉折電流的溫度特性：

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)開通特性

      在大多數(shù)應用情況下，BOD提供十分短暫的脈沖電流，脈寬大約1~5μs，最終結溫T_VJ可以通過功率損耗、熱阻和絕熱計算得到，后者在窄脈沖及高頻開關情況下非常重要。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)關斷時間

      由于BOD屬于晶閘管，它也存在關斷時間，為了適應頻率高達25kHz的應用，它已被設計成為一種快速關斷裝置，典型的關斷時間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)情況下必須超過其保護晶閘管的dV/dt，這樣可以通過短路發(fā)射極結構實現(xiàn)，而且它是晶閘管的外部保護元件，它運行在更低的環(huán)境溫度，典型T_A=40~70 ℃，有利于系統(tǒng)的dV/dt能力的提高。目前達到以6000 v/μs上升到0.67U_BO的水平。

3.1 典型應用電路

      圖3為采用BOD的晶閘管過電壓保護典型應用電路。BOD通過串聯(lián)一個限流電阻R2及防止BOD承受反向過電壓的二極管D2連接于被保護晶閘管的陽極和陰極之間。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，它還起到延緩晶閘管門極電流作用時間，減少晶閘管的開通損耗。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使晶閘管誤觸發(fā)。D3所在支路為晶閘管正常工作時的觸發(fā)電路。與緩沖電路的時間常數(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，這時擊穿導通電流峰值：

I_TM=U_BO/(R_S+R2)              

(5)如果dv/dt高，則晶閘管的結電容充電至U_BO,此時；

I_TM=U_BO/R2                 

圖3 采用BOD晶閘管過電壓保護的典型電路

3.2 參數(shù)選擇

由以上BOD的特性及應用電路分析，可總結參數(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)晶閘管的門極觸發(fā)特性確定BOD的擊穿導通電流峰值I_TM大小及脈寬tp，BOD導通電流必須能使晶閘管可靠觸發(fā)導通，但電流峰值不能超過晶閘管門極最大電流值I_GTM；

(4)將計算所得的結溫代入式(1)和式(3)計算實際運行時的U_BO及I_BO，若符合要求，則進行步驟(5)，不符合要求，則重復進行步驟(1)~ (4)；

(5)由U_BO及I_TM大小選擇限流電阻R2及保護二極管D2；

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

(7)進行試驗驗證。

4 試驗結果分析

      在SVC工程中，筆者采用BOD對晶閘管進行過電壓保護，按上述步驟確定保護電路各參數(shù)，試驗參數(shù)與實際運行參數(shù)一致。為了充分利用BOD，用一個BOD對反并聯(lián)晶閘管同時進行保護，所以增加了一個快恢復整流橋。為了驗證BOD的保護特性，進行了如下試驗，試驗接線如圖4。

圖4   BOD實驗線路圖

試驗線路參數(shù)如下：

調壓器(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所示示波器檢測到的BOD動作時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至x10擋的，由調壓器逐漸升壓，直至BOD動作。

（2）部分是過壓是的觸發(fā)脈沖波形，晶閘管兩端電壓升至約3400 V時BOD發(fā)出的觸發(fā)脈沖信號使晶閘管導通；實際波形中含有5次諧波成分，這是升壓變壓器和調壓器的漏抗與電容C₀在晶閘管導通后構成約250 Hz的諧振，使得晶閘管出現(xiàn)電流為正、電壓為負的情況。晶閘管門極觸發(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斷，晶閘管在3 μs左右開通而獲得保護。

5 結束語

      BOD作為晶閘管保護器件，由于其快速開通和快速恢復關斷的特性，在過電壓保護電路設計及參數(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電壓和高dV/dt的場合。能對晶閘管進行可靠保護，特別是在晶閘管的串聯(lián)應用中。本文通過SVC工程實踐，來論述BOD在晶閘管過電壓保護電路設計中的一般步驟，并通過具體電路及試驗，驗證其正確性，為BOD的應用提供參考數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。