脉冲电源中晶闸管触发系统设计

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　　摘  要：大功率脉冲电源普遍采用晶闸管作为电路的主开关，目前单片晶闸管的耐压较低，通常将晶闸管串联使用。文章针对脉冲电源中晶闸管的工作特点，设计了一种串联晶闸管光电隔离同步触发系统，该系统采用光纤触发方式，接收光触发信号产生晶闸管触发脉冲电流，使晶闸管同步快速可靠导通。实验结果表明，该电路可实现串联脉冲电源中晶闸管的可靠触发。
　　关键词：脉冲电源;晶闸管;触发电路;光纤隔离
　　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，电容储能脉冲电源发展十分迅速，在电磁发射、高功率微波和高功率激光等新概念武器中得到了广泛应用。脉冲电源主要由脉冲电容器、调波电感、大功率晶闸管、续流二极管组成。其工作原理是脉冲电容器作为储能元件充电到额定电压，大功率晶闸管接收触发信号导通，在电流上升阶段，脉冲电流经晶闸管、二极管、调波电感释放到负载，在电流下降阶段，由续流二极管提供电流回路。
　　应用于电磁发射等系统的脉冲电源具有高电压、大电流和能量释放快的特点，其工作电压通常为几kV到十几kV，工作电流大于100kA，放电时间小于10ms。目前市场上的大功率晶闸管大部分采用单晶硅作为材料，其工作电压和工作电流相比碳化硅材料的晶闸管有很大的差距。为满足脉冲电源对高电压、大电流和导通速度快的需求，一般采用更大尺寸的晶闸管，并将几个晶闸管串联使用。针对脉冲电源对晶闸管的工作要求，需要设计脉冲电源中的晶闸管触发系统。
　　2 晶闸管触发系统设计
　　2.1 晶闸管工作原理
　　晶闸管（Thyristor，也称可控硅-SCR）是目前具有较高耐压容量与较高电流容量的器件，目前国内与国外水平差距不太大。国内较高水平的产品可在6英寸的硅片上工业化生产6.5kV/200kA的晶闸管，10ms底宽下能承受脉冲峰值电流200kA。在脉冲功率电源中，工作电压较高，因此，一般根据工况，采用多个硅片串联后并联的方式工作。晶闸管相对而言成本较低，可靠性高，是脉冲功率源开关比较理想的选择。
　　晶闸管工作原理可以用双晶体管模型来解释，见图1。一个晶闸管可以看做由PNP和NPN两种形式的晶体管组合而成，在晶闸管两端施加正向电压时，即UAK>0，三个PN结中J1结和J3结处于轻微的正向偏置，J2结处于反向阻断状态，承受几乎所有的外部电压，仅有极小的漏电流通过晶闸管本体。如果外电路向门极注入电流IG，则相当于向NPN型晶体管注入基极电流，使其产生集电极电流Ic1，NPN晶体管导通，主电流从其集电极流向发射极。NPN晶体管集电极电流的流出给PNP晶体管基极提供了开通电流，促使了PNP晶体管的导通。而PNP的导通又从AK间获取电流，从PNP的发射极流入，集电极流出，同时注入到NPN的基极促使NPN的进一步开通，这样形成了一个正反馈过程。当正反馈进行到一定程度，NPN和PNP两个晶体管都进入到饱和状态，则晶闸管开通。此时晶闸管AK间电阻极低，呈现低电压大电流状态。在晶闸管导通之后，它的导通状态完全依靠自身的正反馈作用来维持，即便去掉门极电流，晶闸管依然处于导通状态。因此，门极触发晶闸管使其导通，在导通以后，门极就失去了其控制作用。想要关闭晶闸管，必须将阳极电流减小到维持电流以下。可以采取将AK间电压断开和改变电压方向的方法关断晶闸管。
　　2.2 晶闸管触发系统设计
　　根据设计的脉冲电源工作电压V≥10kV和输出电流I≥100kA的指标，选择五寸晶闸管3个串联使用，其工作参数为电压VDSM=5200V，最大脉冲电流Ipluse=230kA。晶闸管触发系统的作用是在脉冲电源充电完成时，接收触发放电信号，产生晶闸管门极触发脉冲。为了保证晶闸管可靠地开通，对晶闸管触发系统有以下要求：
　　（1）脉冲电源中的晶闸管触发电路工作在高压强磁场环境中，要有良好的抗电磁干扰性能以及电气隔离，一般在信号接收电路与主电路之间通过变压器和高压光耦隔离。为了防止晶闸管误触发造成严重后果，需要设计信号使能电路，以提高电路的抗干扰能力。
　　（2）脉冲电源中晶闸管采用多片串联的方式，对晶闸管触发开通的一致性有很高的要求。触发脉冲要有一定的幅值和陡度。门极触发脉冲幅值越大，触发电流越大，则晶闸管开通所需要的时间就越短。脉冲上升沿越陡，晶闸管的开通延时受制造工艺、温度、电压等因素的影响就越小。 　　（3）大功率晶闸管从接收到触发信号到晶闸管完全开通，之间有开通延时时间，触发脉冲的宽度须要大于开通延时，才能保证晶闸管的开通。触发电路产生的触发脉冲必须大于一定宽度才能保证晶闸管的可靠开通。
　　（4）触发脉冲要小于晶闸管使用手册中规定的门极电压、电流最大值，否则会导致晶闸管门极发热过高而损坏。
　　根据以上几点要求和脉冲电源的工作特性，设计了晶闸管触发系统。为了提高触发电路的可靠性，触发信号采用光纤进行传输，系统中采用变压器和高压光耦进行触发电路电源和信号之间的隔离，保证了系统的安全性。同时设计了使能电路，能有效防止误触发的发生。
　　晶闸管触发系统框图如图2所示，主要由信号转换电路、使能电路、晶闸管触发电路等组成。触发信号和使能信号通过光纤传输到信号转换电路，信号转换电路将接收到的光脉冲信号后转换为电信号，经高压光耦传递到晶闸管触发电路触发晶闸管。晶闸管触发电路只有同时接收到使能信号和触发信号时才发出脉冲信号导通晶闸管，在不需要触发晶闸管时，关闭使能信号可以防止晶闸管受到干扰信号导致误导通，提高了系统的抗干扰能力。晶闸管触发电路的供电通过高压变压器隔离，触发信号和使能信号通过高压光耦隔离，保证了主电路和触发控制电路之间的电压隔离。
　　2.3 电路设计
　　信号转换电路如图3所示，由光接收模块U1、三极管和高压光耦U2组成。信号转换电路接收光纤发送的触发信号，经过电平转换后通过高压光耦将触发信号发送到后级触发电路，光接收模块采用HFBR2412，该模块具有高电磁干扰抗绕度和高电压隔离的特点。接收到光信号后HFBR2412输出低电平，经Q1和Q2转换为高电平驱动光耦导通。
　　使能电路如图4所示，没有接收到使能信号时光接收模块U3输出端为高电平，三极管Q3截止。接收到光信号后输出为低电平，三极管Q3饱和导通，从而控制光耦导通，继电器J1的导通输出高电平的使能信号到后级触发电路。电路中继电器的动作时间约为10ms，在使能信号关闭时，可以有效防止电磁干扰导致的触发。
　　晶闸管触发电路主要由高压隔离变压器、整流桥、MOSFET和驱动芯片组成，如图5所示。变压器采用隔离电压为15kV的脉冲变压器，变压器输入电压为220V交流，输出电压为15V交流。变压器输出经整流桥整流后通过R12向电容C6充电，D2为18V稳压管，所以C6的电压为18V。当MOS管M1导通时C6经D4和R14快速放电，二极管D4可以防止晶闸管门极电流倒灌，二极管D5的作用是优化触发波形，可以消除脉冲变压器可能出现的负压，稳定晶闸管门极电压。C5在M1导通瞬间为短路状态，可以提高触发脉冲前沿的斜率和峰值，使晶闸管快速导通。
　　MOS管的驱动芯片采用UCC27322，可以在几百纳秒的时间内输出9A的峰值电流。UCC27322具有输入端IN和使能端ENBL，前级触发电路输出信号接UCC27322具有输入端IN，使能电路输出信号接使能端ENBL。只有输入端IN和使能端ENBL都为高电平时，输出端OUT输出高电平。
　　3 晶闸管触发试验
　　实验中示波器采用Agilent DSO-X 3034A型4通道示波器，带宽350MHz，采样率2GS/S;电壓测量使用TEK P6015A高压探头，分压比1000：1;晶闸管电流测量使用TEK TCPA300（带宽100MHz，DC30A）电流探头。脉冲电源电流采用PEM CWT1500型罗氏线圈，带宽16MHz，最大测量电流300kA，测量精度1%。
　　 电路设计完成后进行了晶闸管触发试验，图6三路触发信号电压波形，图7为单路的触发电压波形和电流波形。其中触发脉冲时长设为100μs，触发电压最大约为18V，触发电流最大约为18A。图8为触发信号电压上升阶段的波形图，由图可知三路晶闸管的上升时间约为25ns，有利于晶闸管的快速开通，三路触发信号之间的延迟小于20ns，可以保证三路晶闸管的开通一致性，避免了晶闸管导通时间不一致而导致后开通的晶闸管长时间承受了全部电压而损坏。脉冲电源充电电压为10kV时，进行了触发放电试验，放电电流波形如图9所示，峰值电流为105kA，上升时间为670μs，经多次试验晶闸管均能正常触发。
　　4 结束语
　　本文针对脉冲电源中晶闸管触发的要求，设计了用于晶闸管串联工作的多路晶闸管触发系统。采用了光纤传递触发信号，达到晶闸管触发系统和信号控制系统的之间高低压电位的隔离。该系统还采用光电转换电路，具有较好的抗电磁干扰性能，能够产生一致性好、上升时间快的触发脉冲，有利于串联晶闸管的同时触发。
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