脉冲功率晶闸管温度变化检测系统设计与仿真

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  摘 要:脉冲功率晶闸管在反复的电源放电瞬间内部管芯的温度会升高,为了得到功率晶闸管内部芯片温度的变化本文基于Matlab电力电子仿真平台,建立了利用FGB测试内部管芯温度的模型。
  关键词:脉冲;晶闸管;FBG;温度测量;解调;模型
  当前随着电磁武器的发展,脉冲功率源成为世界研究的重点,晶闸管作为脉冲晶闸管的开关经受着多次充放电,晶闸管在高压和浪涌流的冲击下晶闸管的结温迅速升高,局部热量聚集,长此以往将造成晶格的损毁,所以晶闸管结温的高低将影响着晶闸管稳定性。
  FBG(光纤布喇格光栅)具有质量轻、尺寸小、耐高温、高压和抗强磁场的特性,能够复用和搭建网路。正是其具有这样的优点我们利用FBG嵌入到大功率器件晶闸管中对晶闸管内部管芯进行温度监测。本文的研究路径为利用有限元分析法进行数值仿真,进而对晶闸管内部管芯在脉冲功率源放电瞬间产生的温度进行分析。
  一、设计方案
  我们设计的系统包含有宽带光源、耦合器、FBG、解调仪、隔离器等,我们用ASE宽带光源发出的光经过隔离后输入到2x2的耦合器中并输出的光通过连接器耦合到FBG种,FBG粘在被测试晶闸管上,FBG所感受的温度和被测试的晶闸管产生的温度保持一致。然后利用非平衡M-Z干涉仪由2X2耦合器与3x3耦合器构成,并将FBG的中心波长的偏移量转变为响应的变化量,利用光电转换将光信号转换为电压信号后,经过调理电路后进行滤波放大上传到上位机,上位机采用虚拟仪器开发平台对采集到的信号进行数据处理。(設计方案见图1)。
  二、解调原理
  假如耦合器输出光强相等,带传感信息的光信号经过非平衡M-Z干涉仪完成后产生120?的相位差。3X3耦合器的输出光强度为:[In=Id+Iacosφ+2nπ3,n=1,2,3](公式一),[Id]是光强的直流分量,[Ia]是光强的交流分量。对公式一简化可以得到的干涉场相位是[φ]=arctan([3(I1I3)2I2-I1-I3])(公式二),此公式中的[I1I2I3]是三个输出端口输出的光强,利用LabBIEW2010,将公式二编写相位解调程序获取变化量,在非平衡M-Z干涉仪中耦合器两臂间的位差为:[φλB=2πnlλB](公式三),n为光纤纤芯的折射率,I为光程差,[λB]是FBG的中心波长,我们可以将依据FBG传感原理把公式三改写为?[φλB=2πnlλBKT·T](公式四),此公式中[KT]为FBG温度传感系数,系数为常数,所以解调出相位与应变程线性关系,温度传感系统通过标定获得为11.637pm/℃。
  三、基于Matlab仿真平台的有限元数值仿真
  1.晶闸管模型。以Matlab中的Simulink为软件仿真平台,根据单元器件说明可知,Simulink元件库中精细晶闸管模型具有晶闸管的基本功能。为了建立模型和减少后期数值求解的资源,我们将晶闸管简化成圆柱体,假设室温为20℃,加载对流换热系数和求解时间为t,t∈[0,-5],仿真波形峰值为14.3kA,脉宽为500[μs]。因此我们可以用[Vt=A+B·It+C·lnIt+DIt](公式五)来表示通态压降与通态电流之间的关系。我们首先根据Y100KPM晶闸管的型号参数绘制出通态压降与通态电流曲线,利用Matlab解出,A、B、C、D值,代入公式五获得了[Vt=-7.2145+0.0013·It+1.7664·lnIt-0.1045It]。我们把仿真电流波形的峰值代入,获得了通态压降V(t)为1.3512V,我们按照[PT=V(t)·It]可以求出瞬态功率[P(t)=1.637×104W]。
  2.仿真结果。我们发现晶闸管放电过程中最高温为150℃,当脉宽为100[μs]—10[μs]时,晶闸管的瞬时温度可以允许升高到500℃,因此在所承受范围内不会对晶闸管造成影响。又因为器件的功率损耗集中在芯片的PN结上,因此温度主要集中在芯片附近,当浪涌结束以后,温度又向钼层和铜基座散热。我们将实测的电流数据按照上面的计算方式得到散点热生成率,经过计算机计算得到了晶闸管的温升(如图2)。
  3.误差的考量。我们从图2中看出晶闸管温升曲线最高为89.325/℃,纵然这个数据是仿真后的结果与实际测试结果肯定有出入,我们分析其结果的误差可能来自于以下三个方面:首先时我们的模型把晶闸管模拟成了圆柱体,与现实的形状有不同,而且对芯片、钼片、铜基座之间的焊料层和封装外壳都进行了简化,这些导热也时影响到仿真数据误差。其次真实的实验也会受到室内环境的影响,我们仿真时设计的室温为20℃,实验数据也会和室温有区别。再次解调电路也会受到噪音的干扰,这与我们在计算机仿真时没有设计噪声,因此结果也是有差别的。
  参考文献
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