光触发晶闸管与高压直流输电田方(西安西电电力整流器有限责任公司，陕西西安710077)摘要：简要介绍光触发晶闸管及其在高压直流输电换流阀中的应用。

　　1引言

　　目前世界上已投运的高压直流输电工程中电压±500kV级的居多，每个±500kV级的工程通常需要数千个大功率晶闸管(例如三峡——常州HVDCT工程就有4176个3000A/7.2kV大功率晶闸管)。每一个晶闸管单元(包括晶闸管、阻尼均压电路及晶闸管控制单元)的任何改进，都意味着可观的成本降低和可靠性的明显提高。因此，世界上各大HVDCT设备供货商都十分重视晶闸管单元的优化工作。

　　20多年来，试图以光触发晶闸管LTT(LightTriggerThyristor)替代电触发晶闸管ETT(ElectricTriggerThyristor)的努力一直在继续。上世纪90年代后期，西门子公司首先将具有正向过电压保护功能的器件——BOD(BreakoverDiode)成功地集成到大功率的LTT上，从而决定性地扫除了LTT用于HVDCT的巨大障碍。目前，采用LTT的HVDCT用换流阀已投入商业运行。

　　2直流输电换流阀

　　HVDCT是一个庞大、复杂且前沿的输变电系统。作为其核心设备的换流阀主要包括换流阀和阀基电子设备。

　　晶闸管换流阀主要由晶闸管单元、阳极饱和电抗器串联而成。不同晶闸管单元电位互不相同。常规晶闸管单元包括：晶闸管本身、RC阻尼电路、静态均压电阻及晶闸管控制单元TCU(ThyristorControlUnit)或晶闸管电子设备TE(ThyristorElectronics)。其中TCU(或TE)是一块复杂的印制电子线路板，其功能主要有：

　　1)自取能从对应晶闸管工作电压中获取能量，支持自身电子线路工作。

　　2)触发晶闸管。

　　3)正向过电压保护功能晶闸管在工作过程中由于某种原因没有被正常触发，从而要承受正向过电压，在过电压升高达到晶闸管转折电压之前正向过电压保护器件(或电路)动作，强迫触发晶闸管，达到保护晶闸管的目的。HVDCT工程中采用的正向过电压保护器件(或电路)主要有3种，例如：葛洲坝——上海HVDCT用BOD;天生桥——广州HVDCT用BTC(BackupTriggerCircuit);三峡——常州HVDCT用PF(ProtectionFiring)。

　　4)恢复期保护功能RP(RecoveryProtection)晶闸管在关断反向恢复期间，由于阻断特性尚未完全恢复，过高的dv/dt扰动会损坏晶闸管。该保护功能在dv/dt扰动超过一定数值时保护晶闸管。

　　5)晶闸管工作状态检测。

　　6)光——电、电——光转换TCU(或TE)受控于处于地电位的阀基电子设备VBE(ValveBaseElectronics)，并将晶闸管的工作状态报告VBE。由于电位隔离及抗电磁干扰的需要，二者之间的信号传输需要通过光缆实现。

　　由于光缆良好的信号传输性能及电隔离、抗电磁干扰性能，以及发光管、光敏管及光电转换技术的发展，使这一技术广泛应用于高电压系统及测量领域。HVDCT利用了这些优良特性，实现了TCU(或TE)与VBE之间的控制、检测、保护等信息的传递，从而彻底取代了复杂庞大的电磁触发方式。LTT的应用则更大限度地利用了这些优良性能。

　　3光触发晶闸管LTT

　　对光触发晶闸管LTT的成功研制已有20多年的历史，其机理十分明了。即用光直接照射晶闸管芯片来触发晶闸管。然而，欲将LTT用于中、高压领域，如HVDCT，静止无功补偿SVC(StaticVarCompensation)等系统，则需要解决如下两个技术难题。

　　1)LTT需很高的光灵敏度，以适应远距离控制和长寿命发光管的实际要求。

　　LTT要求光灵敏度必须很高，也就是说LTT的光敏区必须很小，否则其抗dv/dt能力将降到每微秒数千伏，使得LTT在反向恢复期的抗电压扰动能力降低。然而，很小的光敏区同时也带来了晶闸管开通时的电流冲击问题。这一问题主要依靠了多级(五级)放大和级间增加侧面限流电阻的工艺方法得到解决。

　　很小光敏区的优点是，光触发的能量可以较小(40mW，而ETT需要数瓦的大功率门极触发脉冲)。这样，延长了发光管的使用寿命(达40年以上)。同时使得光缆的传输距离达100m以上。由此可将阀基电子设备VBE从容地置于远离阀厅的控制室中。

　　2)将正向过电压保护器件(BOD)集成到晶闸管本身，从而从根本上简化了晶闸管控制单元TCU(或TE)。

　　因为HVDCT和SVC等高压换流设备中，每个换流阀是由很多晶闸管(通常为数十个)串联组成的，在换流阀的运行过程中，经常发生的陡坡冲击、局部不均压或开通分散性等都会引起部分晶闸管的正向过电压，从而损坏晶闸管。所以，正向过电压保护功能必不可少。常规的ETT则是通过将一个分立的BOD器件并接在晶闸管的阳极和门极之间来实现正向过电压保护功能的，这使得保护电路不仅增加了连接点与安装空间，增加了成本，而且降低了可靠性。而LTT需将BOD功能集成于晶闸管本体中，以减少晶闸管的外围电路，并大大提高可靠性，这是一个难题。而由西门子公司开发的一种新的晶闸管结构和生产工艺，解决了这个问题。其方法是，在硅片中心的P基上刻蚀出特殊的刻槽。采用特殊的设计，使参数不受生产工艺的影响而变化。刻槽导致局部电场集中，使BOD转折电压低于晶闸管转折电压(功能要求)。刻槽的相对大小可准确控制BOD转折电压值。LTT的五级放大及集成限流电阻结构，保证了它可靠地正常触发和保护触发。同时，在BOD表面附近区域增加的P形[1][2]下一页