TSF装置中晶闸管损耗分析及其散热参数设计

TSF 装置中晶闸管损耗分析及其散热参数设计

李晟

1,2,3

，陆红学，郭智文2,3，夏华

3

2

(1.中冶华天工程技术有限公司 2. 安徽省电能质量治理技术省级实验室 3. 中冶华天马鞍山

电力滤波有限公司 安徽，马鞍山，243005）

摘要：为了提高TSF 装置的可靠性，本文通过分析流经TSF 装置的电流波形，探讨了晶闸管元件的工作电流中含有高次谐波成分的工况下，其热损耗的估算方法；并根据估算出的热损耗功率，介绍了利用稳态热阻模型进行散热系统参数设计方法。

关键词：TSF 晶闸管 损耗 热设计

中图分类号: TM714 文献标识码：B

0． 引言

由于响应速度较快、性价比较高，晶闸管投切滤波器(TSF)或者晶闸管投切电容器(TSC)型SVC 装置在低压配电网电能质量治理工程中得到了较为广泛的应用

[1]

。然而，由于该种设备的工作电流中含有复杂的谐波成分，使得其使用的晶闸

管元件热损耗估算与热可靠性设计具有一定特殊性。在某些工程设计中未对此加以足够重视, 导致了一些设计不足，其主要表现在：由于散热不良所导致器件热可靠性低，使得晶闸管元件出现频繁损坏现象；或者，在设计中过分追求散热性能，选择了远远超出实际需要的散热系统，不但增加了设备体积，带来了装配和维护上的不便，也增加了不必要的设备成本。

本文通过分析一般情况下的TSF 装置工作电流波形，探讨了TSF 装置中晶闸管元件的损耗估算方法，其次，并根据估算出的热损耗功率，介绍了利用稳态热阻模型进行散热系统参数设计方法，为进一步完善TSF(或TSC) 装置的热可靠性设计提供了依据。

1． TSF 工作电流分析

TSF 装置中, 一般使用两只晶闸管反并联后构成过零触发开关电路，图1给出了两种典型的TSF 主电路原理图。由于触发电路在各相反并联晶闸管两端电压为零的时刻输出触发脉冲使晶闸管导通，从而使由电抗器和电容器构成的该相电力

滤波器投入电网。采用过零触发控制方式，避免了滤波器投入瞬间的电流冲击，保证了串联电路中各元件的可靠运行[2]。

图1 两种典型的TSF 主电路原理图

TSF 装置的工作电流是含有谐波成分的，在不考虑间谐波的情况下，某一滤波支路的工作电流i T (t)可表示为：

i T (t ) =I 1sin(ωt +φ1) +∑I k sin(k ωt +φk ) (1)

k =2∞

式中：

I 1——基波电流的峰值(A)； I k ——各次谐波电流的峰值(A)； φ1，φk ——各次电流的初相角(rad)； ω——工频角频率 (rad/s)； k ——谐波电流次数，取正整数。

在理想状态下，各次滤波器被精确调谐在特定的谐振点，工作电流中非本次的谐波电流成分较少，在理想情况下，非本次谐波电流可以忽略不计。由此，n 次滤波器的工作电流可简化为：

式中，n 为TSF 滤波器滤波次数。在工程应用中，n 的取值一般为5、7、11等，因此后续分析中以滤波次数为奇次作为分析的前提。

i T (t ) =I 1sin(ωt +φ1) +I n sin(n ωt +φn )

(2)

2． TSF 中晶闸管工作电流分析

晶闸管是一种具有单向导电性的电力电子器件，在图2的所示的TSF 单相原

理图中，当含有谐波成分的TSF 工作电流i T (t)与取正值时流经晶闸管TT1，取负值时流经晶闸管TT2。

图2 单相TSF 电路原理图

由于在一般情况下，TSF 工作电流i T(t)不含有直流成分，因此其波形上下半波完全对称，流经两只晶闸管的电流i T1(t)和i T2(t)的电流按照过零点完全对称。因此，只需对一只晶闸管的工作电流加以分析即可。 对于流经晶闸管TT1上的工作电流有：

⎧i 1T (t ) =i T (t ) ⎨

⎩i 1T (t ) =0

(

i T >0)

(i T

≤0) (3)

首先，假定工作电流波形不含多个过零点：

(a) TSF工作电流I (t)波形

(b) 晶闸管TT1工作电流I T1(t)波形

图3 不存在多个过零点TSF 工作电流波形

图3给出了一个不含有多个过零点的TSF 装置工作电流波形。在这种情况下，在一个基波周期内TT1导通的时间段是连续的，即TT1在T1时间段内保持导通

状态，其余时间段都保持阻断状态。

其次，由于上下半波的对称性，T1时间段的长度正好为工频整周期的一半。

3． TSF 中晶闸管损耗估算

TSF 在设计中，只能预先根据系统设计确定该支路基波电流有效值I 1rsm 和谐波电流有效值I nrsm ，晶闸管损耗应以通过这两个参数值得到较为精确的估算。

一般，晶闸管元件的损耗可由4式描述[3]：

P tot =P D +P R +P TAV +P RQ +P G (4) 式中：

P tot ——晶闸管总损耗功率(W)； P D ——前向电流阻态损耗功率(W)； P R ——反向电流阻态损耗功率(W)； P TAV ——通态损耗功率(W)； P RQ ——阻断恢复损耗功率(W)； P G ——门极损耗功率(W)。

其中，在各种损耗中最主要的部分是通态损耗P TT ，在工程中可将其余部分加以忽略，并利用工程近似公式(5)加以估算[4]：

2P tot ≈P TAV =I AV ⨯V TO +I RSM ⨯r T (5)

式中：

V TO ——通态峰值压降（V ），由器件手册给出； r T ——通态斜率电阻(Ω) ，由器件手册给出； I AV ——为流经晶闸管的工作电流均值(A)； I RSM ——为流经晶闸管的工作电流有效值(A)。 根据均值电流I AV 定义，有：

I AV =

1T

i T (t ) dt ⎰ (6)0T

综合(2)、(3)式，可得：

I AV =

t 21⎡t 2I sin(ωt +φ) dt +I n sin(n ωt +φn ) dt ⎤11⎰⎰⎥t 1⎣t 1⎦ (7) T ⎢

上式中，T 为电流工频周期，t 1,t 1为晶闸管电流导通和关断的时刻，并且根据上文的假设，t 1—t 1之间的时间长度正好为工频整周期的一半。对于(7)式的第一项不难得到结论：

T

I 1rsm 1t 2122π

I sin(ωt +φ) dt ≤I sin(t ) dt =111

T ⎰t 1T ⎰0T 1. 57 (8)

对于(7)式第二项，由于n 取值为奇数，此时谐波电流在工频半周期上包括(n-1)/2个整周期波形和一个半波周期波形，此时，对于(7)式第二项可得：

T

I nrsm 1t 212n 2n π

I sin(n ωt +φ) dt ≤I sin(t ) dt =1n 1

T ⎰t 1T ⎰0T n ⨯1. 57 (9)

根据以上分析，可得到近似的估算公式：

I AV =

I nrms ⎫1⎛

⎪I +1rms 1. 57⎝n ⎪⎭

(n =2k +1, k ∈N )

(10)

对于流经晶闸管的有效值电流I RSM ，可做类似分析，得：

I RSM =

1t 22

[]I sin(ωt +φ) +I sin(n ωt +φ) dt 11n n ⎰t 1T

(11)

1t 1

[A (t ) +B (t ) +C (t ) ]dt =

T ⎰t 2

其中：

A (t ) =I 12sin 2(ωt +φ1)

2

B (t ) =I n sin 2(n ωt +φn )

C (t ) =I 1I 2(cos ((n -1) ωt +φ1-φn )-cos ((n +1) ωt +φ1+φn ))

由于，n 为奇数，则(n-1)，（n+1）皆为偶数，C(t)在基波半周期上的积分为0，于是:

I RSM

⎧⎪1

=⎨⎪⎩T =

⎰

T

20

22T

2π12⎡2n π⎪⎡⎤⎤⎫I sin(t +φ) dt +I sin(t +φ) dt ⎬1⎥1n ⎥⎰⎢10⎢T T T ⎣⎦⎣⎦⎪⎭

2

I 12rsm nI nrsm

+44

（12）

根据(5)、(10)、(12)式即可利用TSF 滤波器设计参数基波电流I 1rsm 、谐波电

流I nrsm ，以及选定的晶闸管元件参数估算出器件的功率损耗P tot 。

4. 散热系统稳态参数设计

对于晶闸管元件热设计，可按照图4给出的稳态散热模型加以分析[4]：

J C H A

图4 晶闸管稳态散热模型

图5中各变量的意义为：

P ——装在一个散热片上所有元件的总损耗功率(W)； R thjC ——器件结壳热阻(K/W)，由元件数据手册给出； R thCH ——壳散热器热阻(K/W)，由元件数据手册；

R thHA ——散热器热阻(K/W)，与散热器外型和风道设计有关； T J ——元件的结温(K)； T C ——元件的壳温(K)； T H ——散热器温度(K)； T A ——环境温度(K)；

热导体的热阻R th 定义以式(13)表示：

R th =

t 1-t 2

(13) P

t 1 ，t 1——热导体两端温度(K)； P ——热导体所传递的热功率(W)；

由于，器件的结壳热阻R thjC 、壳散热器热阻R thCH 、最高允许结温T MJ 预先可在器件的数据手册中查到，而环境温度T A 一般在设计时取40℃，因此在计算

稳态热阻时，可先根据单个器件的发热量算出散热片最高允许温度T H 为：

l ——单个器件内晶闸管元件的数量； k p ——为过载系数，可取1.2。

再根据散热片最高允许温度，计算出散热片允许最大热阻R thHA ：

T H =T MJ -(R thJC +R thCH ) ⨯l ⨯P tot ⨯k p

(14)

R thHA =式中：

T H -T A

(15)

p ⨯P tot ⨯k p

p ——安装在同一块散热片上的晶闸管数量。

TSF 晶闸管的散热系统即可按照 (14) 、(15)式计算得到的热阻进行选配。

5. 工程算例

以一个7次TSF 支路为例，在滤波器参数设计中取：系统电压U s =380V，基波电流I 1rsm =205A，谐波电流I 7rsm =120A；晶闸管元件选择赛米控SKKT273/12E型双管晶闸管模块，其参数为：T MJ =130℃，I TA V =273A，V TO =0.9V，r T =0.92mΩ，R thjC =0.054K/W，R thCH =0.04K/W。

根据(10)、(12)、(5)式可得：

I AV

I 7rms ⎫1⎛

⎪=I 1rms + 1. 57⎝7⎪⎭1120=(205+) 1. 577=142(A )

2

I 12RSM nI nRSM

+44

I RSM =

20527⨯1202

=+

44=189(A )

2

P TAV =I AV ⨯V TO +I RSM ⨯r T

=142⨯0. 9+189⨯0. 92⨯10-3=128(W )

如果考虑构成一个TSF 支路的三只晶闸管模块公用一个散热片，则根据

(14)、(15)式可得：

T H =T MJ -(R thJC +R thCH ) ⨯l ⨯P tot ⨯k p

=130-(0. 054+0. 04) ⨯2⨯128⨯1. 2 =101(℃) R thHA =

=

T H -T A

p ⨯P tot ⨯k p

101-406⨯128⨯1. 2

=0. 066(K /W )

根据计算得到的散热片热阻参数，可在数据手册中查得：使用赛米控P16散热片，长度取170mm ，并在配套SKF16B-230-01风机条件下，其热阻为0.05K/W，可以满足该TSF 中使用的晶闸管散热需要。

如果不考虑谐波电流的影响则有：

I AV =

I RSM

1. 57=131(A )

2P TAV =I AV ⨯V TO +I RSM ⨯r T

=131⨯0. 9+205⨯0. 92⨯10-3=118(W )

或者只考虑基波和谐波电流的有效值叠加而不考虑实际流经器件的均值电流和有效值电流，则：

2I rsm =I 12rsn +I nrsm

=237. 5(A )

I AV =

I RSM 1. 57=151(A )

2

I 12rsn +I nrsm

=

2

=119(A )

I RSM

2

P TAV =I AV ⨯V TO +I RSM ⨯r T

=151⨯0. 9+119⨯0. 92⨯10-3=136(W )

与本文提出的计算方法相比，损耗估算值偏差接近10%。而且，如果TSF 工作电流中的谐波含有率越大，这个损耗估算误差也将随之增大，这就可能对热设计带来相当程度的不利影响。

6. 结论

由于TSF 装置的工作电流是基波和谐波的合成，其使用的晶闸管元件损耗与其它电力电子设备中的估算有所不同。本文首先通过对流经某一只晶闸管元件的工作电流波形加以分析、推导，得到了工程上比较适用的，利用基波有效值和谐波有效值估算TSF 中晶闸管损耗的估算方法；之后，介绍了晶闸管稳态散热模型，以及散热系统参数计算方法, 并给出了一个工程算例。通过本文工作，为提高TSF 装置可靠性提供了依据。

参考文献：

[1]. 赵刚, 雷林绪等, 晶闸管投切电力滤波器组的工程应用[J], 电工技术, 2001(2) [2]. 彭海应, 陈柏超等, 一种新型谐波抑制及无功补偿装置[J], 电力电子技术，2004，38(6)

[3].Infineon Technologies AG, Technical Information Bipolar Semiconductors [Document code], 59568, Warstein, Germany, 2006.

[4].王兆安, 张明勋等, 电力电子设备设计与应用手册(第三版)[M], 机械工业出版社, 北京, 2009,1

作者简介：男，1977，硕士研究生，中冶华天马鞍山电力滤波有限公司研发部副部长，工程师。主要研究方向为：有源型电能质量治理装置开发与应用、电力电子应用技术、电能质量治理装置控制策略研究等。