基于非等值均压配置的高压硅堆的制备方法

摘要

一种高电压试验技术领域的基于非等值均压配置的高压硅堆的制备方法，以高压硅堆中每个硅整流管的分压相等为条件分别计算得到硅整流管及其均压元件的参数值，然后以若干个并联均压元件的硅整流管为一组封装成一个高压硅堆子模块，并进一步串联组成高压硅堆，其中：每个高压硅堆子模块内的硅整流管所对应的均压元件均相同，实现分段近似完全均压的高压硅堆非等值均压元件配置。本发明制备得到的高压硅堆能有效提高整个硅堆的耐压水平和电压利用率。

权利要求

1.一种基于非等值均压配置的高压硅堆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：均压元件参数确定：硅堆中每个硅整流管在反向运行时等效为一个硅整流管反向内阻Rf与PN结反向势垒电容Cf并联而成，每个硅整流管与地之间形成对地电容Ce，与高压端形成分布电容Ch，则完全均压的高压硅堆非等值均压元件配置参数Ri和Ci为：Yi＝Gi+jBi；

其中：i＝2，3，…，n，n为高压子硅堆个数，ω为角频率，Rf、Cf、Ci和Ch满足以下节点导纳方程：其中：Y1～Yn分别为硅堆中每个硅整流管反向内阻Rf、PN结反向势垒电容Cf、均压电阻Ri和均压电容Ci并联的导纳，Ye和Yh分别是对地电容Ce与对高压端分布电容Ch的导纳，

4 5

R1和C1按硅堆反向泄漏电流要求取值，10Cf＜C1＜10Cf，R1＝Rf×5％，Rf和Cf通过硅整流管参数手册得到；

第二步：制作高压硅堆：

(1)选取常温下硅整流管的反向漏电流小于等于0.5μA且在100℃下反向漏电流小于等于5μA的硅整流管；

(2)对硅堆进行分段，将若干个硅整流管分为一组封装成一个硅整流管子模块，然后每一个硅整流管子模块与一个对应的均压器件并联组成高压子硅堆，再将若干个高压子硅堆串联组成高压硅堆。

(3)对各硅整流管子模块进行清洗，将清洗后的子模块放入100℃烘箱内烘烤1小时，然后在其表面喷绝缘漆，制成基于等值均压配置的高压硅堆；

所述的高压子硅堆个数n通过下式得到：

其中：U为硅堆的目标耐压等级，单位为kV，U0为选取的硅整流管反向耐压，单位为kV，α为硅堆的电压利用率，0＜α＜100％。

2.根据权利要求1所述基于非等值均压配置的高压硅堆的制备方法，其特征是，所述的PN结反向势垒电容Cf为pF数量级。

3.根据权利要求1所述基于非等值均压配置的高压硅堆的制备方法，其特征是，所述的对地电容Ce低于pF数量级且与分布电容Ch的关系满足Ce＞Ch。

说明书

基于非等值均压配置的高压硅堆的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种高电压试验技术领域的制备方法，具体涉及一种基于非等值均压配置的高压硅堆的制备方法。

背景技术

[0002] 高压硅堆是高电压试验设备的充电回路和直流高电压发生器中的关键整流元件。长期以来硅堆内部的均压问题一直倍受关注。因为电压分布不均，硅堆串中承担反向电压最高的硅整流管有可能首先击穿，从而导致发生一系列击穿，致使硅堆完全损坏。所以电压分布不均是高压硅堆实际应用中需要解决的重要问题，而硅堆电压分布不均的现象在端部最为突出。

[0003] 经过对现有技术的检索发现，硅堆均压一般采用强制均压方式，其方法一般是在硅整流管两端并联等值的电阻或电容等均压元件。目前高压硅堆一般采用并联相同参数的均压元件以达到均压的效果，这种方法称为等值均压方法。

[0004] 但是该现有技术在电压等级很高的情况下，长串硅堆内部的串联硅整流管数目很多，等值均压方法的均压效果随串联硅整流管数的增加而降低。这是由于对地电容和分布电容等因素的影响，在采用等值均压方法时，高压硅堆端部硅整流管承担的最高电压和中部硅整流管承担的最低电压之比随串联硅整流管数的增加而增大，致使整个硅堆的电压利用率随串联硅整流管数的增加而降低。

发明内容

[0005] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于非等值均压配置的高压硅堆的制备方法，实施时根据非等值均压元件参数的计算值和元件参数系列标准配置均压元件，实现近似完全均压，最大限度地提高硅堆的电压利用率和反向耐压，节约硅整流管，降低硅堆的成本。

[0006] 本发明是通过以下技术方案实现的，本发明以高压硅堆中每个硅整流管的分压相等为条件分别计算得到硅整流管及其均压元件的参数值，然后以若干个并联均压元件的硅整流管为一组封装成一个高压硅堆子模块，并进一步串联组成高压硅堆，其中：每个高压硅堆子模块内的硅整流管所对应的均压元件均相同。

[0007] 本发明具体包括以下步骤：

[0008] 第一步：均压元件参数确定：硅堆中每个硅整流管在反向运行时等效为一个硅整流管反向内阻Rf与PN结反向势垒电容Cf并联而成，每个硅整流管与地之间形成对地电容Ce，与高压端形成分布电容Ch，则完全均压的高压硅堆非等值均压元件配置参数Ri和Ci为：

[0009] Yi＝Gi+jBi；

[0010] 其中：i＝2，3，…，n，n为高压子硅堆个数，ω为角频率，Rf、Cf、Ci和Ch满足以下节点导纳方程：

[0011]

[0012] 其中：Y1～Yn分别为硅堆中每个硅整流管反向内阻Rf、PN结反向势垒电容Cf、均压电阻Ri和均压电容Ci并联的导纳，Ye和Yh分别是对地电容Ce与对高压端分布电容Ch的4 5
导纳，R1和C1按硅堆反向泄漏电流要求取值，10Cf＜C1＜10Cf，R1＝Rf×5％，Rf和Cf通过硅整流管参数手册得到。

[0013] 所述的高压子硅堆个数n通过如下方式得到：

[0014]

[0015] 其中：U为硅堆的目标耐压等级，单位为kV，U0为选取的硅整流管反向耐压，单位为kV，α为硅堆的电压利用率，0＜α＜100％。

[0016] 所述的结电容Cf为pF数量级。

[0017] 所述的对地电容Ce低于pF数量级且分布电容Ch的关系满足Ce＞Ch。

[0018] 第二步：制作高压硅堆：

[0019] (1)选取常温下硅整流管的反向漏电流小于等于0.5μA且在100℃下反向漏电流小于等于5μA的硅整流管；

[0020] (2)对硅堆进行分段，将若干个硅整流管分为一组封装成一个硅整流管子模块，然后每一个硅整流管子模块与一个对应的均压器件并联组成高压子硅堆，再将若干个高压子硅堆串联组成高压硅堆。

[0021] (3)对各硅整流管子模块进行清洗，将清洗后的子模块放入100℃烘箱内烘烤1小时，然后在其表面喷绝缘漆，制成基于等值均压配置的高压硅堆。

[0022] 本发明实现了分段近似完全均压的高压硅堆非等值均压元件配置，避免均压元件规格过多，缩短硅堆串的长度，并且保证了元件的均匀分布，容易控制绝缘距离，且子模块之间产生的寄生电容也有利于硅堆的均压。

附图说明

[0023] 图1为本发明等效电路图。

[0024] 图2为高压硅堆电路图。

[0025] 图3为高压子硅堆示意图。

[0026] 图4为现有技术与本发明效果比较图。

[0027] 图5为实施例1仿真示意图。

[0028] 图6为实施例2仿真示意图。

具体实施方式

[0029] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0030] 如图1所示，本实施例包括以下步骤：

[0031] 第一步：均压元件参数确定

[0032] 硅整流管数为900，按照完全均压的高压硅堆非等值均压元件配置方法，计算可得每个均压元件的参数，但因均压元件的参数各不相同，致使元件规格太多而增加制作困难。按照近似完全均压的高压硅堆非等值均压元件配置方法，将900个硅整流管每15个为一组分为60个子模块，每个子模块内的均压元件取该子模块内完全均压条件下的计算值的平均值。则子模块内部的电压不均匀系数为1.08，其对整个硅堆的电压分布的影响可忽略。
按本发明方法，均压元件中电阻的变化对均压效果的影响实际很小，均压电容的变化对均压效果的影响很大，因此均压电阻配置的精确度要求可比均压电容配置的精确度要求低。

[0033] 由于增加并联电容或者减小并联电阻有利于降低分压，所以位于端部的均压电容选择实际配置电容的电容值可按靠近并略大于计算值取值，中间电容选择实际配置电容的电容值时，可按靠近并略小于计算值取值。

[0034] 对本例，所得近似完全均压的非等值均压电容配置如表1所示。表1中的实际配置参数是参照元件参数系列标准从电容器标称系列值中选取的，没有恰好符合要求的单个电容时，选取两个电容并联来配置。考虑到均压电阻对均压效果影响不大，均压电阻仅分3段取值配置，位于端部的前7个子模块和最后7个子模块的均压电阻配置为1MΩ，中间子模块上的均压电阻配置为2MΩ。

[0035] 第二步：制作高压硅堆

[0036] (1)按第一步确定的均压器件参数选择均压器件T1～T60。

[0037] (2)选取合格的硅整流管。常温下硅整流管的反向漏电流不大于0.5μA；并且在100℃下反向漏电流不大于5μA。

[0038] (3)将900个硅整流管分为60个子模块T1～T60，每15个硅整流管分为一组封装成一个子模块。对合格子模块进行清洗，以防止焊接过程中残留在子模块表面的松香等杂质混入绝缘油降低绝缘性能。将清洗后的子模块放入100℃烘箱内烘烤1小时，然后在其表面喷绝缘漆。

[0039] (4)参见图2，T1～T60串联组成高压硅堆、均压器件1～60分别并联于T1～T60。

[0040] 制作完成的硅堆子模块如图3所示。

[0041] 在等值均压模型中，R＝15kΩ，C＝0.2μF，Rf＝4MΩ，Cf＝0.01μF，Ce＝0.09pF，Ch＝0.04pF，串联硅整流管数n为900。按照完全均压的非等值均压元件配置计算值进行仿真，其均压效果与等值均压方法的理论均压效果比较如图4所示。按照完全均压的非等值均压元件配置方法设计的硅堆，理论上是完全均压的。

[0042] 对按等值均压方法和按照本发明方法制作的均压硅堆样品，进行仿真计算和实验。等值均压模型中，各个硅整流管反向分压的仿真结果如图5中的曲线仿真1所示，与实验得到的曲线实验1吻合。图1的非等值均压模型中，均压电容采用表1中的实际配置参数，近似完全均压的仿真结果如图6中的曲线仿真2所示，与实验得到的曲线实验2基本吻合。

[0043] 比较图5和图6中实验得到的曲线实验1和实验2可见，等值均压参数配置时，高压端前10％的硅整流管分得的电压占硅堆反向电压的20.02％，中间10％的硅整流管分得的电压占6.59％；非等值均压参数配置时，高压端前10％的硅整流管分得的电压减小为14.59％，中间10％的硅整流管分得的电压为8.49％。通过比较表明本发明的非等值均压参数配置方法改善了硅堆内部的电压分布。

[0044] 按等值均压方法和本发明的近似完全均压的非等值均压元件配置方法分别制作的高压硅堆样品，电压不均匀系数F和电压利用率η的对比如表2所示。由表2可见，非等值均压参数配置的方法有效地降低了高压硅堆的不均匀系数，提高了电压利用率。

[0045] 表1将900个硅整流管分为60个子模块后硅堆的元件参数

[0046]均压电容 计算值 实际配置参数 均压电容序 计算值 实际配置参数
序号 (nF) (nF) 号 (nF) (nF)
C1～C15 9.753 7.5+2.4＝9.9 C451～C465 7.154 5.6+1.5＝7.1
C16～C30 9.242 8.2+1.1＝9.3 C466～C480 7.521 6.2+1.3＝7.5
C31～C45 8.761 7.5+1.3＝8.8 C481～C495 7.917 6.8+1.1＝7.9
C46～C60 8.308 6.8+1.6＝8.4 C496～C510 8.342 6.8+1.5＝8.3
C61～C75 7.885 6.8+1.1＝7.9 C511～C525 8.797 7.5+1.2＝8.7
C76～C90 7.492 6.2+1.3＝7.5 C526～C540 9.280 8.2+1.0＝9.2
C91～C105 7.127 6.2+1.0＝7.2 C541～C555 9.793 8.2+1.5＝9.7
C106～C120 6.792 5.6+1.1＝6.7 C556～C570 10.336 9.1+1.2＝10.3
C121～C135 6.486 5.1+1.3＝6.4 C571～C585 10.907 9.1+1.8＝10.9
C131～C150 6.209 6.2 C586～C600 11.508 9.1+2.4＝11.5
C151～C165 5.962 4.7+1.2＝5.9 C601～C615 12.138 9.1+3.0＝12.1
C161～C180 5.743 4.7+1.0＝5.7 C616～C630 12.797 9.1+3.6＝12.7
C181～C195 5.554 4.3+1.2＝5.5 C631～C645 13.486 9.1+4.3＝13.4
C196～C210 5.395 4.3+1.0＝5.3 C646～C660 14.203 9.1+5.1＝14.2
C211～C225 5.264 3.9+1.3＝5.2 C661～C675 14.950 9.1+5.6＝14.7
C226～C240 5.163 3.9+1.2＝5.1 C676～C690 15.727 8.2+7.5＝15.7
C241～C255 5.091 3.9+1.1＝5.0 C691～C705 16.532 8.2+8.2＝16.4
C256～C270 5.048 3.9+1.1＝5.0 C706～C720 17.367 9.1+8.2＝17.3
C271～C285 5.035 3.9+1.1＝5.0 C721～C735 18.231 9.1+9.1＝18.2
C286～C300 5.050 3.9+1.1＝5.0 C736～C750 19.124 10.0+9.1＝19.1
C301～C315 5.095 3.9+1.1＝5.0 C751～C765 20.047 20.0
C316～C330 5.170 3.9+1.2＝5.1 C766～C780 20.998 16.0+4.7＝20.7
C331～C345 5.273 3.9+1.3＝5.2 C781～C795 21.979 20.0+1.8＝21.8
C346～C360 5.406 4.3+1.1＝5.4 C796～C810 22.990 22.0+1.0＝23.0
C361～C375 5.568 4.3+1.2＝5.5 C811～C825 24.029 15.0+9.1＝24.1
C376～C390 5.759 4.7+1.0＝5.7 C826～C840 25.098 16.0+9.1＝25.1
C391～C405 5.980 4.7+1.2＝5.9 C841～C855 26.196 24.0+2.2＝26.2
C406～C420 6.229 6.2 C856～C870 27.323 20.0+7.5＝27.5
C421～C435 6.508 4.7+1.8＝6.5 C871～C885 28.480 27.0+1.6＝28.6
C436～C450 6.817 5.6+1.2＝6.8 C886～C900 29.665 27.0+2.7＝29.7[0047] 注：表中实际配置参数为2个值相加的表示用2个电容并联。

[0048] 表2等值均压与非等值均压硅堆性能比较

[0049]等值均压实验 等值均压仿真 非等值均压实验 等值均压仿真
电压不均匀系数F 3.63 3.59 2.70 2.35
电压利用率η 41.92％ 44.10％ 58.54％ 60.09％