高壓晶閘管串聯(lián)閥觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)

　　隨著柔性交流輸電和高壓直流輸電設(shè)備在電力系統(tǒng)中越來越多的應(yīng)用，使晶閘管在高電壓大電流場(chǎng)合下的設(shè)計(jì)使用受到越來越多的關(guān)注。晶閘管串聯(lián)閥在工作時(shí)，為了延長(zhǎng)晶閘管的使用壽命，防止由于個(gè)別晶閘管未開通或開通不一致而導(dǎo)致工作時(shí)部分晶閘管承受過高的電壓而擊穿，從而導(dǎo)致整個(gè)閥組的損壞，要求閥組中的每個(gè)晶閘管均能快速可靠開通，并且具有良好的開通和關(guān)斷一致性。這就要求晶閘管串聯(lián)閥具有良好可靠的觸發(fā)電路，能同時(shí)產(chǎn)生多路高尖峰脈沖，來驅(qū)動(dòng)晶閘管串聯(lián)閥組中各個(gè)晶閘管快速可靠開通。

　　本文研究的內(nèi)容就是一種在實(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)用的晶閘管閥組的觸發(fā)電路設(shè)計(jì)。

1 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)

　　觸發(fā)脈沖電流的上升沿時(shí)間越短、峰值越大，晶閘管開通擴(kuò)散的速度就越快，當(dāng)所有晶閘管開通時(shí)間都大大縮短后，晶閘管之間開通的相對(duì)一致性就大大提高，從而降低了串聯(lián)閥中個(gè)別晶閘管長(zhǎng)時(shí)間承受過高電壓而損壞的幾率。

　　1.1 觸發(fā)電路組成與工作原理

　　觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，主要包括如下幾個(gè)部分。

　　1）單相隔離供電變壓器T1 變比為AC220/AC220、一次側(cè)與二次側(cè)間絕緣電壓35 kV，為脈沖回路提供產(chǎn)生脈沖電流所需的能量。

　　2）充電限流電阻R3 限制電容C1的充電電流。

　　3）防反流二極管D0 防止電容C1向變壓器T1倒送能量。

　　4）儲(chǔ)能脈沖電容器C1 儲(chǔ)存產(chǎn)生脈沖所需的能量，最高充電電壓Uc可達(dá)310 V。

　　5）阻容回路部分的R2和C2 起調(diào)整脈沖波形形狀的作用。

　　6）脈沖CT 變比20/1，通過脈沖CT 形成最終觸發(fā)脈沖。

　　7）放電電阻R1 限制放電電流。

　　8）非線性電阻R4 其轉(zhuǎn)折電壓為400 V，用于保護(hù)MOSFET。

　　9）脈沖信號(hào)板用來接收控制器通過光纖發(fā)來的脈沖光信號(hào)，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)MOSFET（IRFP460）開通與關(guān)斷，使電容C1 受控制器的控制進(jìn)行放電。脈沖信號(hào)板從變壓器T1 二次側(cè)取能，通過單相變壓器AC220/AC20，經(jīng)過整流濾波，由7805 和7812 輸出穩(wěn)定的+5 V和+12 V電源，為脈沖信號(hào)板提供供電電源。

　　10）BOD 模塊用來保護(hù)晶閘管在承受過電壓時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通，防止晶閘管被高壓擊穿。

　　觸發(fā)電路工作原理：隔離變壓器T1 一次側(cè)接AC220 V電源，二次側(cè)通過電阻R3和二極管D0向電容C1充電，當(dāng)C1上的電壓達(dá)到峰值A(chǔ)C220 V，即310 V 左右時(shí)，二極管反向截止，電容C1 上保持310 V左右的電壓。當(dāng)控制器發(fā)出觸發(fā)脈沖信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過光纖傳導(dǎo)至脈沖信號(hào)板，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)MOSFET 開通，電容C1開始通過電阻R1放電，這樣就有瞬間大電流通過8 個(gè)接在晶閘管門極的CT，通過CT同時(shí)產(chǎn)生8 路晶閘管觸發(fā)電流信號(hào)。[3]

　　1.2 觸發(fā)電路的電位

　　在高壓條件下，晶閘管串聯(lián)閥的絕緣問題是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，如果絕緣問題處理不好，那將會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備運(yùn)行的安全性與可靠性。

　　觸發(fā)電路的高電位部分和低電位部分之間的隔離主要是靠觸發(fā)CT 和穿過CT 的10 kV 絕緣的電流線，為了降低對(duì)觸發(fā)CT 絕緣等級(jí)的要求，減小在高壓條件下串聯(lián)閥主回路對(duì)脈沖回路的影響，同時(shí)降低對(duì)脈沖回路絕緣等級(jí)的要求，將變壓器T1 二次側(cè)的地直接接在晶閘管串聯(lián)閥的第4和第5 個(gè)晶閘管之間，即串聯(lián)閥主回路的中點(diǎn)電位，將脈沖回路的電位拉高至1/2 高電位，如圖1中標(biāo)記為中點(diǎn)電位點(diǎn)的地方。從而使整個(gè)串聯(lián)閥結(jié)構(gòu)的電位全部提高，這樣，絕緣的要求就加到隔離供電變壓器T1 的一次側(cè)和二次側(cè)之間，而這里選用的變壓器T1 的一次側(cè)與二次側(cè)絕緣水平達(dá)到35 kV，能夠很好的滿足10 kV 電壓等級(jí)的要求。這樣設(shè)計(jì)能夠大大降低串聯(lián)閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中對(duì)絕緣的要求，也降低了對(duì)觸發(fā)電路的絕緣要求。

　　脈沖信號(hào)板的地與變壓器T1 一次側(cè)的中點(diǎn)電位點(diǎn)相連，使脈沖信號(hào)板的電位也拉到高電平，從而使脈沖信號(hào)板能夠在高電壓下可靠工作。

　　1.3 觸發(fā)電路參數(shù)對(duì)脈沖波形的影響

　　本設(shè)計(jì)中使用的晶閘管串聯(lián)閥是由8 支額定電壓6 000 V、額定電流1 000 A 的晶閘管串聯(lián)壓接成的，適用于10 kV電壓等級(jí)。觸發(fā)脈沖電流的產(chǎn)生是利用電容充電儲(chǔ)能后放電，形成尖峰大電流，再通過接在每個(gè)晶閘管門極上的脈沖CT轉(zhuǎn)換為觸發(fā)脈沖，來驅(qū)動(dòng)晶閘管。影響觸發(fā)脈沖波形的因素主要有兩個(gè)方面：一是電容放電回路的寄生電感；二是觸發(fā)電路電阻、電容的參數(shù)配置。這里為了減小電容放電回路的寄生電感，放電回路的電阻采用無感電阻，大電流線走線方式采用往返走線，即大電流線穿過觸發(fā)CT后再按原路從CT外部折回，這樣走線的目的是為了最大限度地減小大電流線所圍的面積，以及最大限度地減小回路寄生電感。

　　觸發(fā)電路電阻電容參數(shù)對(duì)觸發(fā)脈沖波形的影響如下。各參數(shù)中對(duì)觸發(fā)波形影響較大的是放電電阻R1、阻容回路電容C2、儲(chǔ)能脈沖電容器的最高充電電壓Uc。R1阻值越小，脈沖峰值越高，上升沿越陡；阻容回路電容C2 越小，脈沖峰值越??；Uc值越高，脈沖峰值越高，上升沿越陡。阻容回路的工作原理如圖1 所示，當(dāng)電容C1 充電儲(chǔ)能后，MOSFET 受控制信號(hào)的控制開通，C1 通過電阻R1瞬間放電，阻容回路中的電容C2 瞬間短路，將電阻R2 旁路掉，觸發(fā)脈沖瞬間上升，之后C1 開始向C2 充電，當(dāng)C2 充電完畢，電阻R2 接入放電回路中，此時(shí)脈沖上升沿結(jié)束，脈沖電流開始減小。表1 是實(shí)驗(yàn)中所選電路參數(shù)與所測(cè)得波形參數(shù)的對(duì)照表。需要說明的是，表1 中的波形上升時(shí)間為10%脈沖峰值電流到90%脈沖峰值電流時(shí)間。達(dá)到2A時(shí)間為電流從0耀2 A的時(shí)間。

　　由表1 中的數(shù)據(jù)分析可得如表2 所列的波形分析。

　　從表2 可以看出當(dāng)C1、R1 不變，C2 減小時(shí)，脈沖波形的峰值電流減小、波形上升時(shí)間減小、電流達(dá)到2 A的時(shí)間增大、脈沖寬度增大；當(dāng)C1、C2 不變，R1 減小時(shí)，脈沖波形的峰值電流增大、波形上升時(shí)間減小、電流達(dá)到2 A的時(shí)間減小、脈沖寬度減??；當(dāng)R1 不變、C2 =1 滋F，C1減小時(shí)，脈沖波形的峰值電流不變、波形上升時(shí)間不變、電流達(dá)到2 A的時(shí)間不變、脈沖寬度減??；當(dāng)R1 不變、C2 =0.5 滋F，C1減小時(shí)，脈沖波形的峰值電流減小、波形上升時(shí)間減小、電流達(dá)到2 A的時(shí)間減小、脈沖寬度不變，可見C1 與C2 共同作用影響脈沖波形，但是C1的作用要弱。由表2 的分析對(duì)比可以看出C2、R1、C1的參數(shù)對(duì)脈沖波形的影響，要想得到圖2 所示的理想波形可以通過調(diào)整參數(shù)實(shí)現(xiàn)。另外提高C1的充電電壓也可以增大脈沖的峰值電流、減小電流達(dá)到2 A的時(shí)間。

　　觸發(fā)電路各個(gè)參數(shù)選擇的最終目標(biāo)是輸出所需的觸發(fā)脈沖波形。根據(jù)不同條件的要求輸出不同的觸發(fā)脈沖，總的來說是要使串聯(lián)晶閘管快速可靠開通，對(duì)于觸發(fā)脈沖，要求其有一定的電流上升率di/dt>2 A/滋s；有一定的電流峰值Imax，其大小與晶閘管尺寸有關(guān)，一般幾英寸的管子就需要幾A

2 晶閘管串聯(lián)閥開通一致性

　　采用本文所設(shè)計(jì)的觸發(fā)電路可使晶閘管串聯(lián)閥導(dǎo)通的一致性大大提高。圖11 是串聯(lián)閥中7只晶閘管開通與關(guān)斷的電壓波形、圖12 是串聯(lián)閥中7 只晶閘管開通瞬間電壓波形，從圖中可以看出串2 晶閘管串聯(lián)閥開通一致性采用本文所設(shè)計(jì)的觸發(fā)電路可使晶閘管串聯(lián)閥導(dǎo)通的一致性大大提高。圖11 是串聯(lián)閥中7只晶閘管開通與關(guān)斷的電壓波形、圖12 是串聯(lián)閥中7 只晶閘管開通瞬間電壓波形，從圖中可以看出