CN104167437A - 一种改进的大功率晶闸管 - Google Patents

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魏晓光
杨俊�
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State Grid Shandong Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明具体涉及一种改进的大功率晶闸管，所述晶闸管包括沿轴向依次设置的管座、瓷环壳、保护层、芯片和管盖；所述芯片外沿包有橡胶套；所述保护层和芯片依次扣入瓷环壳内；在所述晶闸管轴线方向上设置温度传感器。通过在晶闸管芯片上加设精密的温度传感器实现对晶闸管芯片温度的实时监测，并且能够减少温度测量偏差，形成直观的实时温度数据，为直流换流阀结温保护及其它智能化功能提供可靠的条件。

Description

一种改进的大功率晶闸管
技术领域：
本发明涉及一种晶闸管，具体讲涉及一种内置温度传感器的大功率晶闸管。
背景技术：
直流换流阀是高压直流输电（HVDC）系统的核心设备，由成百上千只串联的大功率晶闸管及其辅助电路构成，可实现电力交直流变换起到快速可控开关。
作为直流换流阀的核心元器件的晶闸管，是由半导体材料经加工制作而成，和其它半导体器件一致，晶闸管也是一种对温度较为敏感的元件。在实际运行中，晶闸管的芯片温度即结温一般严格限定在一定的温度范围内，如120℃以内，否则晶闸管将失效。如果晶闸管长期处于高温运行状态，不仅降低换流阀运行可靠性，还将大大缩减晶闸管的使用寿命。
晶闸管运行结温水平一般在工程设计时根据直流换流阀的实际运行工况及换流阀散热设计来确定，目前普遍采用建模计算得到。晶闸管结温计算建模需要全面掌握晶闸管运行工况、损耗特性、散热器散热特性等，建模复杂而且容易造成偏差。此外，随着晶闸管元件投入使用，其间的老化带来的晶闸管及散热器各种热物参数的变化，都将引起结温的漂移，而在建模计算中无法预测到这部分变化。为了能够更好地测量晶闸管的温度变化，本发明人提出了在晶闸管内设置温度传感器从而为直流换流阀结温保护及其它智能化功能提供可靠的条件。
发明内容：
本发明的目的是提供一种改进的大功率晶闸管，在晶闸管芯片上加设精密的光纤光栅温度传感器实现对晶闸管芯片温度的实时监测。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种改进的大功率晶闸管，所述晶闸管包括沿轴向依次设置的管座、瓷环壳、保护层、芯片和管盖；所述芯片外沿包有橡胶套；所述保护层和芯片依次扣入瓷环壳内；在所述晶闸管轴线方向上设置温度传感器。
本发明提供的一种改进的大功率晶闸管所述温度传感器包括设有光栅栅点的裸光纤和外层铠装光纤；所述裸光纤经所述晶闸管管座的径向开孔至其轴向开孔、穿过所述管座下方的保护层与芯片连接；
所述外层铠装光纤设在晶闸管管座外并将其纤头打磨成光接头。
本发明提供的一种改进的大功率晶闸管，所述芯片包括依次轴向设置的阳极侧钼片，硅片和阴极侧钼片；所述硅片包括依次轴向设置的扩磷区N+、短基区P1、长基区N、短基区P2和浓硼扩散区P+；所述扩磷区N+上设有阴极和门极，所述浓硼扩散区P+上设有阳极；所述硅片四周设有隔离墙，所述隔离墙表面设有轴向孔；所述阳极、阴极和门极分别设有引出线，所述门极引线沿硅片径向方向通过晶闸管管座边缘径向孔穿出，在所述门极引线的门极单元中设有解码器，所述解码器与所述外层铠装光纤连接；
将设有光栅栅点的裸光纤设置在所述阴极侧钼片上，所述光栅栅点两端通过高温硅胶固定并使光栅中间留有弧度。
本发明提供的另一优选的一种改进的大功率晶闸管，将所述晶闸管和其内部的所述裸光纤压放入冷压焊接机，同时将晶闸管内气体抽真空，再冲入氦气和氮气的混合气体，防止管内金属氧化。
本发明提供的再一优选的一种改进的大功率晶闸管，所述宽带光源与所述隔离器相连，所述定向耦合器分别于隔离器、光纤和所述调谐F-P滤波器相连，当调谐F-P滤波器的导通中心波长与光纤光栅的反射波长相等时，光电探测器通过所述调谐F-P滤波器探测到最大光强，经所述光电探测器转换成电信号，此电信号的峰值对应于光纤光栅反射光的中心波长，所述信号处理器将通过光电探测器接收到的电信号转换成以太网通信数据，并通过以太网接口上传至计算机。
本发明提供的又一优选的一种改进的大功率晶闸管，所述晶闸管外部与散热器连接，所述散热器包括散热基板和垂直设置在散热基板上的散热片，所述散热基板内部设有空室、其外部设有吸热端面，所述散热片呈矩形波浪状、其表面设有导风槽和突起，所述散热片两端设有通风孔，所述通风孔与所述散热基板内部的空室相连。
本发明提供的又一优选的一种改进的大功率晶闸管，所述晶闸管门极引线径向穿出孔同时通过所述外层铠装光纤。
本发明提供的又一优选的一种改进的大功率晶闸管，所述晶闸管为6英寸晶闸管。
由于采用了上述技术方案，本发明得到的有益效果是：
1、本发明中晶闸管内设有的精密温度传感器能够真正意义上实现对晶闸管结温的实时监测，减少温度偏差，并形成直观的实时温度数据，为直流换流阀结温保护及其它智能化功能提供可靠的条件。
2、本发明中的温度传感器为光纤光栅温度传感器，其耐高温，测量误差小，体积小，响应速度快，绝缘性能良好，可以在一条光纤上刻蚀多个光栅，可形成多点，分布式测量；
3、本发明中的温度传感器分为裸光纤和外层铠装光纤，且裸光纤在在晶闸管里的设置使得光纤不易受力折断，很好的保护了温度传感器的结构和效果；
4、本发明中光栅栅点的固定方式，其中间留有弧度，可以避免应力对测温的影响，精确了传感器的测量；
5、本发明中晶闸管门极引线出口与温度传感器的外层铠装光纤在晶闸管中出口相同，简化了晶闸管与温度传感器结合的加工工艺；
6、本发明中在晶闸管的门极单元中设置解码器，减少整个温度测量的空间，方便温度传感器的测量和计算。
7、本发明加强了晶闸管抗震性能和精确了晶闸管芯片安装位置。
8、本发明晶闸管隔离墙设有径向孔，加快了隔离墙扩散形成速度。
9、本发明晶闸管具有良好的散热能力和散热效率。
附图说明
图1为一种内置温度传感器的大功率晶闸管结构示意图；
图2为本发明的解码器原理示意图；
其中，1-管座，2-保护层，3-芯片，4-管盖，5-裸光纤，6-外层铠装光纤，7-光栅。
具体实施方式
下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。
实施例1：
如图1-2所示，本例的发明中为6英寸晶闸管，该晶闸管包括瓷环壳、管座1、包裹在芯片3外的两层保护层2和管盖4；该温度传感器包括光栅7和光纤，所述光纤包括裸光纤5和外层铠装光纤6，所述裸光纤5设置在晶闸管内部。在管座1边缘经向开孔，所述裸光纤5通过该径向孔至管座内表面的轴向孔、通过管座1下方的保护层2的径向开孔与芯片3连接。所述芯片3包括依次轴向扣入瓷环壳中的阳极侧钼片，硅片和阴极侧钼片。该硅片包括依次轴向设置的扩磷区N+、短基区P1、长基区N、短基区P2和浓硼扩散区P+；所述扩磷区N+上设有阴极和门极，所述浓硼扩散区P+上设有阳极；所述硅片四周设有隔离墙，所述隔离墙表面设有轴向孔；所述阳极、阴极和门极分别设有引出线，所述门极引线沿硅片径向方向通过晶闸管管座边缘径向孔穿出。
该裸光纤5上设有光栅栅点，栅点可以多个也可以一个，分布可以根据晶闸管自身需要进行布置，将设有光栅栅点的裸光纤5设置在所述阴极侧钼片上，所述栅点两侧通过高温硅胶固定并使光栅7中间留有弧度。外层铠装光纤6涂覆层为聚酞亚胺材料，该外层铠装光纤的纤头在晶闸管管座1外并将其打磨制作成光接头。门极引线径向口同时通过所述外层铠装光纤6。调整和检测晶闸管各层位置后加装阴极端盖，将所述晶闸管和其内部的所述裸光纤5压放入冷压焊接机，同时将晶闸管内气体抽真空，再冲入氦气和氮气的混合气体，防止管内金属氧化。
在晶闸管外部门极引线的门极单元中设有解码器，所述解码器与所述外层铠装光纤连接。所述解码器包括宽带光源、隔离器、定向耦合器、调谐F-P滤波器、压电陶瓷、光电探测器、信号处理器和以太网接口。所述宽带光源与所述隔离器相连，所述定向耦合器分别于隔离器、温度传感器的光纤和所述调谐F-P滤波器相连。宽带光源发出的连续光入射到温度传感器的光纤光栅，光栅有选择地反射一个窄带光，其余宽带光直接透射过去，隔离器隔离光栅反射光。当温度发生变化时，温度传感器光纤光栅的反射波长也改变，当调谐F-P滤波器的导通中心波长与光纤光栅的反射波长相等时，光电探测器通过所述调谐F-P滤波器探测到最大光强，经所述光电探测器转换成电信号，此电信号的峰值对应于光纤光栅反射光的中心波长，也对应于测量点的温度。信号处理器将通过光电探测器接收到的电信号转换成以太网通信数据，并通过以太网接口上传至计算机，同时计算机控制调谐F-P滤波器。
晶闸管外部与散热器连接，所述散热器包括散热基板和垂直设置在散热基板上的散热片，所述散热基板内部设有空室、其外部下面设有吸热端面，所述散热片呈矩形波浪状、其表面设有导风槽和突起，所述散热片两端设有通风孔，所述通风孔与所述散热基板内部的空室相连。
最后应该说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种改进的大功率晶闸管，所述晶闸管包括沿轴向依次设置的管座、瓷环壳、保护层、芯片和管盖；所述芯片外沿包有橡胶套；所述保护层和芯片依次扣入瓷环壳内；其特征在于：在所述晶闸管轴线方向上设置温度传感器。
2.如权利要求1所述的一种改进的大功率晶闸管，其特征在于：所述温度传感器包括设有光栅栅点的裸光纤和外层铠装光纤；所述裸光纤经所述晶闸管管座的径向开孔至其轴向开孔、穿过所述管座下方的保护层与芯片连接；
所述外层铠装光纤设在晶闸管管座外并将其纤头打磨成光接头。
3.如权利要求2所述的一种改进的大功率晶闸管，其特征在于：所述芯片包括依次轴向设置的阳极侧钼片，硅片和阴极侧钼片；所述硅片包括依次轴向设置的扩磷区N+、短基区P1、长基区N、短基区P2和浓硼扩散区P+；所述扩磷区N+上设有阴极和门极，所述浓硼扩散区P+上设有阳极；所述硅片四周设有隔离墙，所述隔离墙表面设有轴向孔；所述阳极、阴极和门极分别设有引出线，所述门极引线沿硅片径向方向通过晶闸管管座边缘径向孔穿出，在所述门极引线的门极单元中设有解码器，所述解码器与所述外层铠装光纤连接；
将设有光栅栅点的裸光纤设置在所述阴极侧钼片上，所述光栅栅点两端通过高温硅胶固定并使光栅中间留有弧度。
4.如权利要求1所述的一种改进的大功率晶闸管，其特征在于：将所述晶闸管和其内部的所述裸光纤压放入冷压焊接机，同时将晶闸管内气体抽真空，再冲入氦气和氮气的混合气体，防止管内金属氧化。
5.如权利要求3所述的一种改进的大功率晶闸管，其特征在于：所述解码器包括宽带光源、隔离器、定向耦合器、调谐F-P滤波器、压电陶瓷、光电探测器、信号处理器和以太网接口。
6.如权利要求5所述的一种改进的大功率晶闸管，其特征在于：所述宽带光源与所述隔离器相连，所述定向耦合器分别于隔离器、光纤和所述调谐F-P滤波器相连，当调谐F-P滤波器的导通中心波长与光纤光栅的反射波长相等时，光电探测器通过所述调谐F-P滤波器探测到最大光强，经所述光电探测器转换成电信号，此电信号的峰值对应于光纤光栅反射光的中心波长，所述信号处理器将通过光电探测器接收到的电信号转换成以太网通信数据，并通过以太网接口上传至计算机。
7.如权利要求1所述的一种改进的大功率晶闸管，其特征在于：所述晶闸管外部与散热器连接，所述散热器包括散热基板和垂直设置在散热基板上的散热片，所述散热基板内部设有空室、其外部设有吸热端面，所述散热片呈矩形波浪状、其表面设有导风槽和突起，所述散热片两端设有通风孔，所述通风孔与所述散热基板内部的空室相连。
8.如权利要求3所述的一种改进的大功率晶闸管，其特征在于：所述晶闸管门极引线径向穿出孔同时通过所述外层铠装光纤。
9.如权利要求1所述的一种改进的大功率晶闸管，其特征在于，所述晶闸管为6英寸晶闸管。
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