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。（设计方案见图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120º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。

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