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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
[1]王永平，杨建明，赵文强，李海英.换相失败对晶闸管结温影响及保护定值整定研究[J].电力工程技术，2017（04）.
[2]江南，陈民铀，徐盛友，赖伟，高兵.计及裂纹损伤的IGBT模块热疲劳失效分析[J].浙江大学学报（工学版），2017（04）.
[3]赵辉，刘凯.采用调整交流进线改善并联运行励磁功率柜均流系数的实例分析及应用[J].水电厂自动化，2016（03）.
[4]龚岩，田铭兴.变压器式可控电抗器的晶闸管阀组选型[J].高压电器，2015（08）.
[5]高迎慧，付荣耀，刘坤，孙鹞鸿，严萍.基于间歇充电工况的高功率密度电源暂态热设计[J].高电压技术，2014（04）.
[6]吴岩松，罗皓泽，李武华，何湘宁，邓焰.用于IGBT模块结温预测的热——电耦合模型研究[J].电工电能新技术，2014（03）.
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
[1]王永平，杨建明，赵文强，李海英.换相失败对晶闸管结温影响及保护定值整定研究[J].电力工程技术，2017（04）.
[2]江南，陈民铀，徐盛友，赖伟，高兵.计及裂纹损伤的IGBT模块热疲劳失效分析[J].浙江大学学报（工学版），2017（04）.
[3]赵辉，刘凯.采用调整交流进线改善并联运行励磁功率柜均流系数的实例分析及应用[J].水电厂自动化，2016（03）.
[4]龚岩，田铭兴.变压器式可控电抗器的晶闸管阀组选型[J].高压电器，2015（08）.
[5]高迎慧，付荣耀，刘坤，孙鹞鸿，严萍.基于间歇充电工况的高功率密度电源暂态热设计[J].高电压技术，2014（04）.
[6]吴岩松，罗皓泽，李武华，何湘宁，邓焰.用于IGBT模块结温预测的热——电耦合模型研究[J].电工电能新技术，2014（03）.