串聯(lián)晶閘管同步導(dǎo)通設(shè)計(jì)研究

廉龍飛 韓薇 王旭梅

摘 要：晶閘管導(dǎo)通能力強(qiáng)，但是耐壓性較弱，隨著高壓與特高壓在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用企業(yè)多采用晶閘管串聯(lián)的方式以此來(lái)增加晶閘管的抗壓性。我們利用MOSFET的快導(dǎo)通和通流能力強(qiáng)的特點(diǎn)，搭建了一套實(shí)現(xiàn)光纖控制的四只晶閘管同步導(dǎo)通的強(qiáng)觸發(fā)平臺(tái)，而且對(duì)這套系統(tǒng)進(jìn)行了間接光觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)測(cè)試表明，晶閘管觸發(fā)時(shí)延和門(mén)極觸發(fā)電流相關(guān)，觸發(fā)電流峰值越大，前沿小，導(dǎo)通越快，時(shí)延越小。

關(guān)鍵詞：串聯(lián)晶閘管；導(dǎo)通；實(shí)驗(yàn)；設(shè)計(jì)；電壓

我們知道當(dāng)前主流的晶閘管單只耐壓不高，在斷態(tài)下峰值電壓為2.5～3KV，如果使用有更高耐壓性的晶閘管造價(jià)比較高，因此非常有必要拓展晶閘管的耐壓性。通常的方法是串聯(lián)幾個(gè)晶閘管來(lái)提高耐壓性，但是串聯(lián)后的晶閘管開(kāi)通時(shí)間不一致，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)分壓不均衡，晶閘管的通態(tài)電阻是毫歐級(jí)別，斷態(tài)電阻是兆歐級(jí)別，就讓先后導(dǎo)通的晶閘管承受的電壓不同，就會(huì)發(fā)生單個(gè)晶閘管受壓過(guò)大，造成串聯(lián)晶閘管的失效。因此晶閘管靜態(tài)均勻保護(hù)和動(dòng)態(tài)緩沖保護(hù)研究就十分的必要。同步強(qiáng)觸發(fā)是正晶閘管串聯(lián)動(dòng)作一致性的重要環(huán)節(jié)，我們將設(shè)計(jì)一種晶閘管強(qiáng)觸發(fā)電路用于測(cè)試這種電路的穩(wěn)定性。

一、晶閘管強(qiáng)觸發(fā)電路設(shè)計(jì)

1.間接光觸發(fā)系統(tǒng)

電磁觸發(fā)的抗干擾能力比較弱，間接光觸發(fā)可以隔離高壓側(cè)對(duì)低壓側(cè)的電磁干擾。其原理在串聯(lián)的晶閘管觸發(fā)信號(hào)由一個(gè)初始控制信號(hào)控制，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換傳輸觸發(fā)信號(hào)，進(jìn)而產(chǎn)生脈沖電流，最終實(shí)現(xiàn)晶閘管導(dǎo)通。（見(jiàn)圖1）

觸發(fā)系統(tǒng)主要由觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生電路、光信號(hào)發(fā)送接收電路，光電轉(zhuǎn)換電路，高電位觸發(fā)脈沖形成電路等。控制電路產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)經(jīng)光纖傳輸給觸發(fā)電路板，觸發(fā)電路板產(chǎn)生脈沖經(jīng)過(guò)脈沖變壓器同時(shí)傳輸給四個(gè)晶閘管，完成電路的導(dǎo)通。觸發(fā)電路板和隔離變壓器進(jìn)行直流供電。

2.強(qiáng)觸發(fā)電路設(shè)計(jì)

在晶閘管的實(shí)際使用中當(dāng)毫秒級(jí)的高壓會(huì)讓導(dǎo)通區(qū)域局部過(guò)熱而燒毀晶閘管，為了提高導(dǎo)通性，設(shè)計(jì)了晶閘管強(qiáng)觸發(fā)電路，我們利用MOSFET的快開(kāi)導(dǎo)通和強(qiáng)通流能力的特性，設(shè)計(jì)了一種MOSFET的觸發(fā)導(dǎo)通電路（見(jiàn)圖2），當(dāng)MOSFET觸發(fā)導(dǎo)通后，被充電模塊的主電容C放電產(chǎn)生脈沖電流作用在晶閘管的門(mén)極上，直流電源給電容C充電，當(dāng)電容接收到控制模塊觸發(fā)信號(hào)后，MOSFET導(dǎo)通，電容對(duì)脈沖變壓器對(duì)晶閘管的門(mén)極和陰極放電，最終脈沖電流給晶閘管進(jìn)行觸發(fā)。

二、晶閘管被觸發(fā)電流的導(dǎo)通過(guò)程

晶閘管導(dǎo)通過(guò)程存在著開(kāi)通時(shí)延和觸發(fā)時(shí)延，開(kāi)通的時(shí)延與晶閘管本身的工藝相關(guān)，不作為我們討論的對(duì)象，同一批晶閘管的觸發(fā)時(shí)延時(shí)不一致的，為了提高四只晶閘管導(dǎo)通的同一性，我們必須對(duì)多只晶閘管進(jìn)行統(tǒng)一性的測(cè)試，篩選出觸發(fā)時(shí)延相近的晶閘管進(jìn)行串聯(lián)。我們指導(dǎo)晶閘管的導(dǎo)通合格內(nèi)部載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相關(guān)，提高載流子的密度就可以增加反饋電流的基準(zhǔn)值，減小反饋次數(shù)從而縮短晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間。觸發(fā)脈沖的前沿增大可以加快導(dǎo)通區(qū)的擴(kuò)散，進(jìn)而縮短晶閘管的開(kāi)通時(shí)間，因此我們要控制觸發(fā)極電流的幅值和前沿來(lái)調(diào)整串聯(lián)晶閘管的觸發(fā)時(shí)延，進(jìn)而讓四個(gè)晶閘管實(shí)現(xiàn)同步觸發(fā)。

1.晶閘管串同步導(dǎo)通特性

我們采用MOSFET快速導(dǎo)通芯片設(shè)計(jì)晶閘管強(qiáng)觸發(fā)導(dǎo)通電路圖（如圖3），RX作用在于調(diào)節(jié)原邊觸發(fā)電流幅值，起到控制和保護(hù)MOSFET。R1-R4調(diào)整觸發(fā)電流的幅值和前沿。次級(jí)串聯(lián)恢復(fù)二極管限制觸發(fā)電流的流向。在每個(gè)晶閘管的門(mén)極和陰極中間都會(huì)設(shè)置有瞬態(tài)抑制二極管，以穩(wěn)定門(mén)極和陰極的過(guò)高電壓。

2.晶閘管串同步觸發(fā)測(cè)試

每一個(gè)晶閘管在串聯(lián)之前都要獨(dú)立的進(jìn)行導(dǎo)通測(cè)試，保證導(dǎo)通時(shí)間相一致的晶閘管進(jìn)行串聯(lián)，這是測(cè)試有效的前提條件。在實(shí)驗(yàn)時(shí)我們將脈沖變壓器的原邊電流作為示波器的觸發(fā)條件，用于保證計(jì)時(shí)起點(diǎn)一致。我們要對(duì)觸發(fā)時(shí)延進(jìn)行控制，調(diào)整脈沖變壓器次級(jí)電阻值來(lái)改變各自的觸發(fā)電流，讓導(dǎo)通曲線(xiàn)保持一致。通過(guò)實(shí)驗(yàn)我們可以把四個(gè)晶閘管的導(dǎo)通時(shí)延控制在10ns級(jí)別，我們可以認(rèn)為他們的導(dǎo)通是一致的。對(duì)于晶閘管的保護(hù)，串聯(lián)導(dǎo)通實(shí)驗(yàn)不直接將四只晶閘管串聯(lián)在額定電壓上二是采用逐級(jí)梯度形式按順序分別調(diào)整，首先調(diào)整1、2號(hào)晶閘管串聯(lián)，能夠一致開(kāi)通后，在進(jìn)行1、2、3 號(hào)晶閘管的串聯(lián)，最后進(jìn)行1、2、3、4號(hào)晶閘管的串聯(lián)同步導(dǎo)通。

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