脈沖電源中晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳沖 杜元生 馬靜 馬偃亳

摘? 要：大功率脈沖電源普遍采用晶閘管作為電路的主開(kāi)關(guān)，目前單片晶閘管的耐壓較低，通常將晶閘管串聯(lián)使用。文章針對(duì)脈沖電源中晶閘管的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種串聯(lián)晶閘管光電隔離同步觸發(fā)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用光纖觸發(fā)方式，接收光觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生晶閘管觸發(fā)脈沖電流，使晶閘管同步快速可靠導(dǎo)通。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電路可實(shí)現(xiàn)串聯(lián)脈沖電源中晶閘管的可靠觸發(fā)。

關(guān)鍵詞：脈沖電源;晶閘管;觸發(fā)電路;光纖隔離

Abstract： Thyristors are generally used as the main switch of the circuit for high-power pulsed power supplies. At present， the thyristor of a single chip has a lower withstand voltage， and usually the thyristors are used in series. Aiming at the working characteristics of thyristors in pulsed power supply， a thyristor photoelectric isolation synchronous trigger system is designed in this paper. The system adopts the optical fiber triggering method and receives the light trigger signal to generate the thyristor trigger pulse current， which enables the thyristors to be turned on synchronously and quickly. Experimental results show that this circuit can achieve reliable triggering of thyristors in series pulsed power supplies.

1 概述

近年來(lái)，電容儲(chǔ)能脈沖電源發(fā)展十分迅速，在電磁發(fā)射、高功率微波和高功率激光等新概念武器中得到了廣泛應(yīng)用。脈沖電源主要由脈沖電容器、調(diào)波電感、大功率晶閘管、續(xù)流二極管組成。其工作原理是脈沖電容器作為儲(chǔ)能元件充電到額定電壓，大功率晶閘管接收觸發(fā)信號(hào)導(dǎo)通，在電流上升階段，脈沖電流經(jīng)晶閘管、二極管、調(diào)波電感釋放到負(fù)載，在電流下降階段，由續(xù)流二極管提供電流回路。

應(yīng)用于電磁發(fā)射等系統(tǒng)的脈沖電源具有高電壓、大電流和能量釋放快的特點(diǎn)，其工作電壓通常為幾kV到十幾kV，工作電流大于100kA，放電時(shí)間小于10ms。目前市場(chǎng)上的大功率晶閘管大部分采用單晶硅作為材料，其工作電壓和工作電流相比碳化硅材料的晶閘管有很大的差距。為滿足脈沖電源對(duì)高電壓、大電流和導(dǎo)通速度快的需求，一般采用更大尺寸的晶閘管，并將幾個(gè)晶閘管串聯(lián)使用。針對(duì)脈沖電源對(duì)晶閘管的工作要求，需要設(shè)計(jì)脈沖電源中的晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)。

2 晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 晶閘管工作原理

晶閘管（Thyristor，也稱可控硅-SCR）是目前具有較高耐壓容量與較高電流容量的器件，目前國(guó)內(nèi)與國(guó)外水平差距不太大。國(guó)內(nèi)較高水平的產(chǎn)品可在6英寸的硅片上工業(yè)化生產(chǎn)6.5kV/200kA的晶閘管，10ms底寬下能承受脈沖峰值電流200kA。在脈沖功率電源中，工作電壓較高，因此，一般根據(jù)工況，采用多個(gè)硅片串聯(lián)后并聯(lián)的方式工作。晶閘管相對(duì)而言成本較低，可靠性高，是脈沖功率源開(kāi)關(guān)比較理想的選擇。

晶閘管工作原理可以用雙晶體管模型來(lái)解釋，見(jiàn)圖1。一個(gè)晶閘管可以看做由PNP和NPN兩種形式的晶體管組合而成，在晶閘管兩端施加正向電壓時(shí)，即UAK>0，三個(gè)PN結(jié)中J1結(jié)和J3結(jié)處于輕微的正向偏置，J2結(jié)處于反向阻斷狀態(tài)，承受幾乎所有的外部電壓，僅有極小的漏電流通過(guò)晶閘管本體。如果外電路向門極注入電流IG，則相當(dāng)于向NPN型晶體管注入基極電流，使其產(chǎn)生集電極電流Ic1，NPN晶體管導(dǎo)通，主電流從其集電極流向發(fā)射極。NPN晶體管集電極電流的流出給PNP晶體管基極提供了開(kāi)通電流，促使了PNP晶體管的導(dǎo)通。而PNP的導(dǎo)通又從AK間獲取電流，從PNP的發(fā)射極流入，集電極流出，同時(shí)注入到NPN的基極促使NPN的進(jìn)一步開(kāi)通，這樣形成了一個(gè)正反饋過(guò)程。當(dāng)正反饋進(jìn)行到一定程度，NPN和PNP兩個(gè)晶體管都進(jìn)入到飽和狀態(tài)，則晶閘管開(kāi)通。此時(shí)晶閘管AK間電阻極低，呈現(xiàn)低電壓大電流狀態(tài)。在晶閘管導(dǎo)通之后，它的導(dǎo)通狀態(tài)完全依靠自身的正反饋?zhàn)饔脕?lái)維持，即便去掉門極電流，晶閘管依然處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此，門極觸發(fā)晶閘管使其導(dǎo)通，在導(dǎo)通以后，門極就失去了其控制作用。想要關(guān)閉晶閘管，必須將陽(yáng)極電流減小到維持電流以下?？梢圆扇K間電壓斷開(kāi)和改變電壓方向的方法關(guān)斷晶閘管。

2.2 晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)的脈沖電源工作電壓V≥10kV和輸出電流I≥100kA的指標(biāo)，選擇五寸晶閘管3個(gè)串聯(lián)使用，其工作參數(shù)為電壓VDSM=5200V，最大脈沖電流Ipluse=230kA。晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)的作用是在脈沖電源充電完成時(shí)，接收觸發(fā)放電信號(hào)，產(chǎn)生晶閘管門極觸發(fā)脈沖。為了保證晶閘管可靠地開(kāi)通，對(duì)晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)有以下要求：

（1）脈沖電源中的晶閘管觸發(fā)電路工作在高壓強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中，要有良好的抗電磁干擾性能以及電氣隔離，一般在信號(hào)接收電路與主電路之間通過(guò)變壓器和高壓光耦隔離。為了防止晶閘管誤觸發(fā)造成嚴(yán)重后果，需要設(shè)計(jì)信號(hào)使能電路，以提高電路的抗干擾能力。

（2）脈沖電源中晶閘管采用多片串聯(lián)的方式，對(duì)晶閘管觸發(fā)開(kāi)通的一致性有很高的要求。觸發(fā)脈沖要有一定的幅值和陡度。門極觸發(fā)脈沖幅值越大，觸發(fā)電流越大，則晶閘管開(kāi)通所需要的時(shí)間就越短。脈沖上升沿越陡，晶閘管的開(kāi)通延時(shí)受制造工藝、溫度、電壓等因素的影響就越小。

（3）大功率晶閘管從接收到觸發(fā)信號(hào)到晶閘管完全開(kāi)通，之間有開(kāi)通延時(shí)時(shí)間，觸發(fā)脈沖的寬度須要大于開(kāi)通延時(shí)，才能保證晶閘管的開(kāi)通。觸發(fā)電路產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖必須大于一定寬度才能保證晶閘管的可靠開(kāi)通。

（4）觸發(fā)脈沖要小于晶閘管使用手冊(cè)中規(guī)定的門極電壓、電流最大值，否則會(huì)導(dǎo)致晶閘管門極發(fā)熱過(guò)高而損壞。

根據(jù)以上幾點(diǎn)要求和脈沖電源的工作特性，設(shè)計(jì)了晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)。為了提高觸發(fā)電路的可靠性，觸發(fā)信號(hào)采用光纖進(jìn)行傳輸，系統(tǒng)中采用變壓器和高壓光耦進(jìn)行觸發(fā)電路電源和信號(hào)之間的隔離，保證了系統(tǒng)的安全性。同時(shí)設(shè)計(jì)了使能電路，能有效防止誤觸發(fā)的發(fā)生。

晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)框圖如圖2所示，主要由信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、使能電路、晶閘管觸發(fā)電路等組成。觸發(fā)信號(hào)和使能信號(hào)通過(guò)光纖傳輸?shù)叫盘?hào)轉(zhuǎn)換電路，信號(hào)轉(zhuǎn)換電路將接收到的光脈沖信號(hào)后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)高壓光耦傳遞到晶閘管觸發(fā)電路觸發(fā)晶閘管。晶閘管觸發(fā)電路只有同時(shí)接收到使能信號(hào)和觸發(fā)信號(hào)時(shí)才發(fā)出脈沖信號(hào)導(dǎo)通晶閘管，在不需要觸發(fā)晶閘管時(shí)，關(guān)閉使能信號(hào)可以防止晶閘管受到干擾信號(hào)導(dǎo)致誤導(dǎo)通，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。晶閘管觸發(fā)電路的供電通過(guò)高壓變壓器隔離，觸發(fā)信號(hào)和使能信號(hào)通過(guò)高壓光耦隔離，保證了主電路和觸發(fā)控制電路之間的電壓隔離。

2.3 電路設(shè)計(jì)

信號(hào)轉(zhuǎn)換電路如圖3所示，由光接收模塊U1、三極管和高壓光耦U2組成。信號(hào)轉(zhuǎn)換電路接收光纖發(fā)送的觸發(fā)信號(hào)，經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換后通過(guò)高壓光耦將觸發(fā)信號(hào)發(fā)送到后級(jí)觸發(fā)電路，光接收模塊采用HFBR2412，該模塊具有高電磁干擾抗繞度和高電壓隔離的特點(diǎn)。接收到光信號(hào)后HFBR2412輸出低電平，經(jīng)Q1和Q2轉(zhuǎn)換為高電平驅(qū)動(dòng)光耦導(dǎo)通。

使能電路如圖4所示，沒(méi)有接收到使能信號(hào)時(shí)光接收模塊U3輸出端為高電平，三極管Q3截止。接收到光信號(hào)后輸出為低電平，三極管Q3飽和導(dǎo)通，從而控制光耦導(dǎo)通，繼電器J1的導(dǎo)通輸出高電平的使能信號(hào)到后級(jí)觸發(fā)電路。電路中繼電器的動(dòng)作時(shí)間約為10ms，在使能信號(hào)關(guān)閉時(shí)，可以有效防止電磁干擾導(dǎo)致的觸發(fā)。

晶閘管觸發(fā)電路主要由高壓隔離變壓器、整流橋、MOSFET和驅(qū)動(dòng)芯片組成，如圖5所示。變壓器采用隔離電壓為15kV的脈沖變壓器，變壓器輸入電壓為220V交流，輸出電壓為15V交流。變壓器輸出經(jīng)整流橋整流后通過(guò)R12向電容C6充電，D2為18V穩(wěn)壓管，所以C6的電壓為18V。當(dāng)MOS管M1導(dǎo)通時(shí)C6經(jīng)D4和R14快速放電，二極管D4可以防止晶閘管門極電流倒灌，二極管D5的作用是優(yōu)化觸發(fā)波形，可以消除脈沖變壓器可能出現(xiàn)的負(fù)壓，穩(wěn)定晶閘管門極電壓。C5在M1導(dǎo)通瞬間為短路狀態(tài)，可以提高觸發(fā)脈沖前沿的斜率和峰值，使晶閘管快速導(dǎo)通。

MOS管的驅(qū)動(dòng)芯片采用UCC27322，可以在幾百納秒的時(shí)間內(nèi)輸出9A的峰值電流。UCC27322具有輸入端IN和使能端ENBL，前級(jí)觸發(fā)電路輸出信號(hào)接UCC27322具有輸入端IN，使能電路輸出信號(hào)接使能端ENBL。只有輸入端IN和使能端ENBL都為高電平時(shí)，輸出端OUT輸出高電平。

3 晶閘管觸發(fā)試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中示波器采用Agilent DSO-X 3034A型4通道示波器，帶寬350MHz，采樣率2GS/S;電壓測(cè)量使用TEK P6015A高壓探頭，分壓比1000：1;晶閘管電流測(cè)量使用TEK TCPA300（帶寬100MHz，DC30A）電流探頭。脈沖電源電流采用PEM CWT1500型羅氏線圈，帶寬16MHz，最大測(cè)量電流300kA，測(cè)量精度1%。

電路設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行了晶閘管觸發(fā)試驗(yàn)，圖6三路觸發(fā)信號(hào)電壓波形，圖7為單路的觸發(fā)電壓波形和電流波形。其中觸發(fā)脈沖時(shí)長(zhǎng)設(shè)為100μs，觸發(fā)電壓最大約為18V，觸發(fā)電流最大約為18A。圖8為觸發(fā)信號(hào)電壓上升階段的波形圖，由圖可知三路晶閘管的上升時(shí)間約為25ns，有利于晶閘管的快速開(kāi)通，三路觸發(fā)信號(hào)之間的延遲小于20ns，可以保證三路晶閘管的開(kāi)通一致性，避免了晶閘管導(dǎo)通時(shí)間不一致而導(dǎo)致后開(kāi)通的晶閘管長(zhǎng)時(shí)間承受了全部電壓而損壞。脈沖電源充電電壓為10kV時(shí)，進(jìn)行了觸發(fā)放電試驗(yàn)，放電電流波形如圖9所示，峰值電流為105kA，上升時(shí)間為670μs，經(jīng)多次試驗(yàn)晶閘管均能正常觸發(fā)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)脈沖電源中晶閘管觸發(fā)的要求，設(shè)計(jì)了用于晶閘管串聯(lián)工作的多路晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)。采用了光纖傳遞觸發(fā)信號(hào)，達(dá)到晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)和信號(hào)控制系統(tǒng)的之間高低壓電位的隔離。該系統(tǒng)還采用光電轉(zhuǎn)換電路，具有較好的抗電磁干擾性能，能夠產(chǎn)生一致性好、上升時(shí)間快的觸發(fā)脈沖，有利于串聯(lián)晶閘管的同時(shí)觸發(fā)。

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