一種高壓大電流光控固體電子放電開關(guān)

摘要：介紹了一種光控晶閘管放電開關(guān)，作為0．75 MJ電容型電源模塊的主放電開關(guān)，它由6只國產(chǎn)大功率光控晶閘管串聯(lián)組成，配有均壓保護(hù)電路和觸發(fā)單元，最高阻斷電壓為45 kV，最大放電電流為55．3 kA。該放電開關(guān)已成功應(yīng)用于生產(chǎn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：光控晶閘管；高壓大電流；放電開關(guān)

1 引言
在大功率大電流脈沖電源系統(tǒng)中，常用閉合開關(guān)有交流接觸器、帶預(yù)設(shè)電阻的專用接觸器和晶閘管電子開關(guān)等。其中晶閘管電子開關(guān)充分利用了晶閘管特性，可使電流從零快速上升到額定工作電流。斷開時(shí)，晶閘管上的電流過零切除，可實(shí)現(xiàn)電容器投入無涌流、切除無過壓、投切無電弧的快速動(dòng)態(tài)補(bǔ)償功能，能較好地解決電容器放電時(shí)產(chǎn)生的暫態(tài)沖擊問題。這里介紹了一種晶閘管放電開關(guān)，用作0．75 MJ電容型電源模塊的主放電開關(guān)，其最高阻斷電壓45 kV，最大放電電流55．3 kA。

2 晶閘管放電開關(guān)的設(shè)計(jì)
圖1為0．75 MJ電容型電源模塊簡(jiǎn)化等效電路。放電開關(guān)由6只國產(chǎn)大功率光控晶閘管串聯(lián)組成，光控晶閘管采用光觸發(fā)，保證了主電路與控制電路絕緣，故可避免電磁干擾，配有均壓保護(hù)電路和觸發(fā)單元，組成一個(gè)獨(dú)立完整的固體開關(guān)，用一個(gè)小功率電信號(hào)(15 V／0．1 A)即可觸發(fā)導(dǎo)通。因此廣泛應(yīng)用于高壓大功率脈沖電路的控制。

2．1 電子開關(guān)的技術(shù)指標(biāo)
規(guī)格25 kV／55 kA；額定工作電壓25 kV；最大直流阻斷電壓為45 kV；最大放電電流大于55 kA(10 ms)；I2t積分值大于15．7×106 A2·s，具有靜、動(dòng)態(tài)均壓及內(nèi)部BOD保護(hù)電路；觸發(fā)控制信號(hào)(15±2)V／100 mA，脈寬(20±2)ms；單脈沖放電，兩連續(xù)工作脈沖間隔不小于10 min，自然冷卻，模塊結(jié)構(gòu)。
2．2 原理與結(jié)構(gòu)
固體電子開關(guān)電氣原理圖如圖2所示。25 kV／55 kA／10 ms光控晶閘管放電開關(guān)由6只國產(chǎn)KL37WY8000型大功率光控晶閘管串聯(lián)組成，包括靜、動(dòng)態(tài)均壓電路及光控晶閘管觸發(fā)器。用戶只需(15±2)V／100 mAx20 ms的控制信號(hào)即可開通光控晶閘管放電開關(guān)(6只光控晶閘管同時(shí)開通)。由于串聯(lián)器件存在開通時(shí)間及反向恢復(fù)電荷差異，在開通及關(guān)斷過程中會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)電壓分配不均衡。瞬態(tài)均壓就是將瞬態(tài)均壓分配不均衡造成的過電壓抑制到允許值，其措施之一為在每只串聯(lián)器件兩端并聯(lián)由Rb，Cb組成的RbCb阻容吸收電路，以便吸收瞬態(tài)過電壓。電阻Rb用于抑制回路電感與電容Cb引起的振蕩，并抑制晶閘管觸發(fā)開通時(shí)Cb的放電電流。從抑制振蕩及抑制開通放電電流考慮，希望Rb較大。但Rb較大時(shí)，Cb充電電流會(huì)在Rb上產(chǎn)生較高的電壓值，使晶閘管遭受過電壓，故Rb的選取要綜合考慮這兩方面因素。

3 電路主要參數(shù)的選擇
3．1 光控晶閘管的選擇：
光控晶閘管反向重復(fù)阻斷電壓為：
URRM≥UCMKAU／KUns (1)
式中：UCM為充電電容最高電壓，UCM=25 kV；KAU為冗余度，KAU=1．3；KU為均壓系數(shù)，KU=0．8；ns為光控晶閘管串聯(lián)數(shù)量，ns=6。
可得URRM≈6．9 kV。根據(jù)固體電子開關(guān)其他技術(shù)要求，選用國產(chǎn)KL37WY8000型光控晶閘管，主要技術(shù)參數(shù)為：URRM=7．5 kV；ITAVM= 3．57 kA；ITSM=90 kA；I2t=40．5×106A2·s，可完全滿足上述技術(shù)要求。
3．2 均壓電阻選擇
串聯(lián)電力電子器件穩(wěn)態(tài)均壓是指器件處于正向或反向阻斷時(shí)電壓均衡。在串聯(lián)器件處于阻斷狀態(tài)時(shí)，由于其伏安特性不一致，在直接串聯(lián)時(shí)將分擔(dān)不同的電壓。穩(wěn)態(tài)均壓最常用的方法是給每只串聯(lián)器件并聯(lián)一只均壓電阻Rp。為獲得較好的穩(wěn)態(tài)均壓，Rp中的電流應(yīng)大于串聯(lián)器件的漏電流。Rp的大小取決于串聯(lián)器件的漏電流值及它們的漏電流之差，當(dāng)漏電流差值小時(shí)，Rp可取較大的值。若不考慮串聯(lián)器件漏電流差異，則Rp為：
Rp≤(1／KU-1)URRM／IRRM (2)
式中：URRM為額定重復(fù)峰值電壓；IRRM為額定重復(fù)峰值電壓為URRM時(shí)的漏電流。
可得Rp≤93．75 kΩ，取Rp=91 kΩ。RP的功率PRp≥(UCMns)2／Rp，可得PRp≥190 W，取PRp=250 W。
3．3 RC動(dòng)態(tài)均壓參數(shù)的選擇
當(dāng)串聯(lián)光控晶閘管采用門極強(qiáng)觸發(fā)時(shí)，反向恢復(fù)電荷差異造成的關(guān)斷過電壓成為瞬態(tài)均壓的主要問題。則串聯(lián)光控晶閘管承受的最大關(guān)斷過電壓(單位V)為：
△Umax=△Qmax／Gb (3)
式中：△Qmax為串聯(lián)光控晶閘管間反向恢復(fù)電荷的最大差值，單位μC；Cb為瞬態(tài)均壓電容器的電容量，單位μF。
減小關(guān)斷過電壓的有效措施為選擇反向恢復(fù)電荷值基本一致的光控晶閘管構(gòu)成串聯(lián)臂。則有：

式中：為換相電壓，其最大值為變壓器輸出側(cè)線電壓峰值，單位V。
可得Cb=0．47μF，Cb耐壓選為8 kV。由經(jīng)驗(yàn)選擇Rb=15 Ω。Rb的功率PRb=fCb(UAM／ns)2=200 W。

4 實(shí) 驗(yàn)
該光控晶閘管放電開關(guān)于2010年3月交付用戶使用并通過了專家組驗(yàn)收。圖3為該放電開關(guān)在實(shí)際放電過程中實(shí)測(cè)波形，當(dāng)儲(chǔ)能電容電壓達(dá)到25 kV時(shí)放電電流峰值達(dá)到55．3 kA，完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。經(jīng)一段時(shí)間的實(shí)際應(yīng)用，證明該光控晶閘管放電開關(guān)比以往的普通晶閘管放電開關(guān)在抗電磁干擾和可靠性方面性能更佳。

5 結(jié)論
介紹了光控晶閘管放電開關(guān)的結(jié)構(gòu)和工作原理，分析了電子開關(guān)的設(shè)計(jì)要求，采用RbCb阻容吸收電路來吸收瞬態(tài)過電壓，且給每只串聯(lián)的器件并聯(lián)一只均壓電阻，穩(wěn)態(tài)均壓效果較好。理論分析和實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了該方案的有效性和實(shí)用性。