20kV小電流可控硅固體開關(guān)的研制

　　引言

　　固體開關(guān)構(gòu)成的固體繼電器(Solid State Re-lav，SSR)是利用現(xiàn)代微電子技術(shù)與電力電子技術(shù)相結(jié)合發(fā)展起來的一種新型無觸點(diǎn)電子開關(guān)器件。與傳統(tǒng)的電磁繼電器相比，它具有高穩(wěn)定、高可靠、無觸點(diǎn)、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)。

　　由于固體開關(guān)在加速器、雷達(dá)發(fā)射機(jī)、高功率微波、污染控制、醫(yī)用等軍民用領(lǐng)域具有較明顯的潛在優(yōu)勢(shì)，美、英、日等國均對(duì)固體開關(guān)技術(shù)進(jìn)行了大量研究。根據(jù)應(yīng)用要求的不同，固體開關(guān)中單元功率器件也不盡相同。若要求固體開關(guān)具有很快的開關(guān)速度和高重復(fù)頻率，單元器件一般采用功率場(chǎng)效應(yīng)管(Power M0SFET)或絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)。對(duì)單個(gè)脈沖放電或低頻充放電時(shí)所用的開關(guān)，用可控硅串聯(lián)即可實(shí)現(xiàn)。

　　可控硅是以“小控制大”的功率開關(guān)器件，用一個(gè)小的控制電流控制門極完成電路中電流控制作用，具有體積小、重量輕、低功耗、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)。為了降低串聯(lián)的可控硅數(shù)量，應(yīng)盡可能地選取耐壓較高的可控硅，同時(shí)綜合考慮價(jià)格因素。我們選取了意法半導(dǎo)體(ST)的可控硅TYNl225，單管耐壓可達(dá)l 200V，且價(jià)格便宜。

　　本文通過脈沖變壓器隔離控制28個(gè)串聯(lián)可控硅(TYNl225)，得到了 20 kV小電流開關(guān)，對(duì)固體開關(guān)的串聯(lián)技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并討論了串聯(lián)電路所涉及到的觸發(fā)信號(hào)的高壓隔離技術(shù)、驅(qū)動(dòng)信號(hào)同步技術(shù)以及功率器件的動(dòng)態(tài)靜態(tài)均壓技術(shù)。實(shí)驗(yàn)電路如圖1所示。

　　1 串聯(lián)開關(guān)的驅(qū)動(dòng)(控制)電路

　　為保證同步觸發(fā)，系統(tǒng)中所有開關(guān)的觸發(fā)信號(hào)必須來自同一個(gè)信號(hào)源。 手冊(cè)給出使TYNl225導(dǎo)通的門極閾值電壓Vgt低于1.5V，閾值電流Igt低于40mA。它可直接用變壓器觸發(fā)，不需額外的驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)撤掉晶閘管門極觸發(fā)信號(hào)后，要使它保持導(dǎo)通，流經(jīng)它的電流必須大于某個(gè)值，這個(gè)值就是它的維持電流。在本實(shí)驗(yàn)中晶閘管導(dǎo)通時(shí)，電流最高僅為1mA，低于TYN1225的維持電流(幾十個(gè)mA)，因此采取的方式是觸發(fā)信號(hào)到來之后始終加一直流電壓在它的門極來驅(qū)動(dòng)保持其導(dǎo)通。

　　本實(shí)驗(yàn)的控制信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器提供，信號(hào)發(fā)生器輸出50 kHz的方波，經(jīng)過功率MOSFET/IGBT驅(qū)動(dòng)芯片IXDN414得到同頻率的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來驅(qū)動(dòng)MOSFET APT10026，隨著APTl0026的通斷，變壓器的初級(jí)上產(chǎn)生近似方波的信號(hào)，由于變壓器各個(gè)次級(jí)繞組完全一致，所以，在次級(jí)得到一致的多個(gè)信號(hào)來控制串聯(lián)的可控硅同步導(dǎo)通。

　　IXDN414是lXYS公司出品的高速M(fèi)OSFET/IGBT門極驅(qū)動(dòng)器，它的輸入兼容TTL與CMOS信號(hào)。本設(shè)計(jì)中通過凋節(jié)信號(hào)發(fā)生器的輸出方波的幅度來控制IXDN414的輸出。當(dāng)信號(hào)發(fā)生器輸出的方波幅值存IXDN414輸入端的低電平范圍內(nèi)時(shí)，IXDN414的輸出始終為低電平;調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器，使輸出幅值進(jìn)入IXDN414輸入端的高電平范圍，IXDN414便輸出50 kHz的方波信號(hào)，此信號(hào)驅(qū)動(dòng)APT10026，變壓器的初級(jí)上便有了圖2所示的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

　　2 變壓器設(shè)計(jì)

　　在脈沖變壓器隔離控制的可控硅固體開關(guān)中，變壓器的設(shè)計(jì)非常重要，要求次級(jí)信號(hào)嚴(yán)格一致。當(dāng)變壓器初級(jí)有了圖2所示的方波信號(hào)時(shí)，由于變壓器的漏感漏電容的存在，次級(jí)繞組的電壓波形如圖3所示，它與圖2有稍許差異。當(dāng)它經(jīng)橋堆整流時(shí)，在每個(gè)橋臂上均會(huì)產(chǎn)生一定壓降，經(jīng)過晶閘管門極限流電阻后，可控硅門極的電壓不到1 V(對(duì)陰極)，實(shí)驗(yàn)證明這個(gè)電壓能很好地促使可控硅保持導(dǎo)通。

　　為了保證驅(qū)動(dòng)信號(hào)的一致性，應(yīng)盡量減少各種分布參數(shù)的影響。選取合適的磁芯，減少變壓器繞組匝數(shù)是一種方法。選取μr較大的磁芯，這樣單匝線圈的電感量比較大，就可以減少繞組匝數(shù)。我們?cè)O(shè)汁的變壓器處、次級(jí)匝數(shù)比為4：1，初級(jí)有4匝，因而次級(jí)只用了l匝。實(shí)驗(yàn)證明這樣非常好地保證了次級(jí)繞組的一致性，同時(shí)由于線圈的減少也有效地控制了變壓器的體積。變壓器的初級(jí)電感量必須足夠大，如果感抗太小，遠(yuǎn)低于負(fù)載等效阻抗，可以看作近似短路，將會(huì)燒毀前面的APT10026。實(shí)際制作的變壓器初級(jí)電感Lp在50kHz時(shí)大約為600μH。不考慮漏感等影響因素，感抗ωLp=2π50k600μH=60πΩ。

　　當(dāng)可控硅導(dǎo)通不一致時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一種情況：高壓源直接加于變壓器的兩組次級(jí)繞組上。這就要求變壓器初級(jí)和次級(jí)間、各次級(jí)相互之間均能夠承受足夠高的電壓。本文將變壓器任意兩個(gè)次級(jí)繞組間耐壓設(shè)汁為21 kV，可以承受電源最大電壓，這就保證了變壓器不會(huì)被擊穿。

　　3 可控硅的串聯(lián)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　實(shí)驗(yàn)原理如圖4所示，串聯(lián)的可控硅用兩個(gè)開關(guān)SW1和SW2表示，首先，控制器控制SW0閉合，SW1和SW2斷開，高壓直流電壓源HV對(duì)電容C1充電;然后控制器斷開SW0，閉合SW1和SW2，電容C1對(duì)負(fù)載Rl與R1放電。這樣在控制器的控制下，就可以周期地對(duì)C1充放電。R1遠(yuǎn)小于Rl，起分壓作用，便于測(cè)量波形。SW1和SW2導(dǎo)通時(shí)，R1上的電壓波形特征即反映了開關(guān)導(dǎo)通特性。

　　要得到耐壓20kV的開關(guān)，其電流約l mA。TYNl225的通態(tài)平均電流可達(dá)16A，完全滿足開關(guān)對(duì)電流的要求，我們要做的是將多個(gè)TYNl225串聯(lián)起來提高耐壓。考慮到降額使用，每個(gè)管子的工作電壓取其標(biāo)稱值的60～70%，再加上串聯(lián)系統(tǒng)中的冗余設(shè)計(jì)，串聯(lián)管子的數(shù)量應(yīng)適當(dāng)增加。

　　實(shí)驗(yàn)時(shí)，沒有沒置原理圖中的SW0、R0和C1等組件，用高壓直流電源直接加于串聯(lián)的可控硅及負(fù)載電阻的兩端，略去了R1，直接用高壓探頭測(cè)量RL上電壓波形。測(cè)量了串聯(lián)開關(guān)單次導(dǎo)通時(shí)負(fù)載電阻RL上的電壓波形。

　　圖1中Rp為靜態(tài)均壓電阻，Ds、Rs、Cs構(gòu)成動(dòng)態(tài)均壓網(wǎng)絡(luò)。由于阻斷狀態(tài)下各可控硅的阻斷電阻存在較大差異，Rp的作用就是在正向阻斷狀態(tài)下，完成各可控硅的直流均壓，要求其阻值遠(yuǎn)小于開關(guān)管的泄漏電阻，同時(shí)兼顧其功耗。實(shí)際使用中，也并非所有管子的Rp都完全同樣大小，必要時(shí)應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)中根據(jù)每只管子的性能差異進(jìn)行合理地調(diào)整。同時(shí)，又因?yàn)榭煽毓韫ぷ髟陂_關(guān)狀態(tài)，增加了出現(xiàn)電壓不均現(xiàn)象的可能性，特別是開通和關(guān)斷的時(shí)間不一致，最后開通或關(guān)斷的管子將獨(dú)自承受高壓。動(dòng)態(tài)均壓網(wǎng)絡(luò)可以用來解決電壓不均問題，實(shí)質(zhì)上就是利用電容Cs兩端電壓不能突變的特性使得每只管子所承受的瞬態(tài)電壓分配均勻。因此要求Cs的值比可控硅陽極和陰極間的結(jié)電容大得多。

　　如圖1所示，變壓器次級(jí)接全橋整流電路，每個(gè)橋臂均采用超快恢復(fù)二極管UF4007，整流橋后接電容C2-1到C2-28濾波。電容C2-1到C2-28需要取一個(gè)合適的值。當(dāng)取值太小時(shí)，在可控硅的門極得不到足夠大的驅(qū)動(dòng)電壓使其導(dǎo)通;取值太大時(shí)，由于電容本身固有的誤差較大，很難保證其值大小完全相同，會(huì)導(dǎo)致可控硅門極電壓上升時(shí)間不一致，也就使可控硅不能一致導(dǎo)通。

　　實(shí)驗(yàn)中，先在低壓電源下測(cè)試串聯(lián)可控硅的導(dǎo)通一致性。首先運(yùn)用少量可控硅串聯(lián)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以獲取導(dǎo)通時(shí)的負(fù)載波形。8個(gè)管子串聯(lián)，濾波電容C2取10μF，觸發(fā)信號(hào)到來之后，圖5(a)為負(fù)載電阻上的電壓波形，可以明顯地看出可控硅的導(dǎo)通嚴(yán)重不一致，從開始導(dǎo)通到完全導(dǎo)通用時(shí)超過了7μs;電容取O.1μF后，管子能很好地一致導(dǎo)通，如圖5(b)所示。

　　將28個(gè)可控硅串聯(lián)起來，逐步抬高電源電壓值進(jìn)行測(cè)試。串聯(lián)的可控硅均能很好地導(dǎo)通，隨著電源電壓的抬高，其上升時(shí)間也會(huì)逐漸降低。當(dāng)HV=20kV時(shí)，觸發(fā)信號(hào)使能后，負(fù)載電阻RL上的電壓波形如圖6所示，示波器記錄上升時(shí)間Tr=164.8 ns，低壓375V系未導(dǎo)通時(shí)電源電壓HV在負(fù)載RL的分壓，靜態(tài)時(shí)的漏電流很小，I漏=375/20MΩ=18.75μA。

　　4 結(jié)語

　　本文成功地進(jìn)行了多個(gè)可控硅串聯(lián)作20 kV開關(guān)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用多個(gè)普通可控硅串聯(lián)起來作低成本、低頻率的高壓開關(guān)是可以實(shí)現(xiàn)的。今后將在開關(guān)的可靠性方面做更大的努力，并研究通過光隔離控制多個(gè)串聯(lián)的功率開關(guān)，設(shè)計(jì)出更高電壓的大功率同體開關(guān)，并用單片機(jī)或PC機(jī)取代實(shí)驗(yàn)中所用的信號(hào)發(fā)生器來實(shí)現(xiàn)程控開關(guān)功能。