交流電子開關設計及研究

◇西安派瑞功率半導體變流技術股份有限公司 黃 攀 陳澤宇 王國超 高路念

交流電子開關是作為高壓接地試驗中，替代傳統的開關，用于接通規定電壓、電流的單相交流電路，從而達到一定的試驗目的，模擬輸電電路檢測中對地短路試驗；其具有便攜性、易操作等特點。

1 概述

在長距離輸電線路中，需要對線路進行定期檢修檢測，以確保并判斷輸電線路的正常運行，從而就需要不斷的創新設計、應用。

交流電子開關設計尋求方便快捷易操作的目的，解決傳統方式的應用，在規定電壓、電流下，控制電路單相接地，模擬野外工況下，線路意外接地試驗，比如雨天雷擊、樹枝刮蹭等；來觀察對于電路整體的運行情況，以便更好的維護、定檢。

2 結構及原理

圖1 聯結方式框圖

采用特定型號晶閘管（10只），通過五組“晶閘管對”的串聯，組成單相反并聯橋臂，構成交流電子開關。配置單片機系統、驅動單元、觸發單元、均壓和吸收電路，其中觸發單元當接收到“通/斷”信號（+5VDC信號，低電平為“通”。）后觸發晶閘管，使電子開關工作；由于交流電子開關應用于高電壓電流的環境下，因此其配套的散熱系統也有一定的要求，盡可能采用橫截面積大、溝回多的齒狀散熱器，在保證體積小的情況下有更好的散熱效果，這里做一簡單介紹。

其中每組晶閘管陰極與陽極并聯有電阻電容，用以對應晶閘管的穩態均壓和瞬態均壓，保證在所有晶閘管開通的時候，每組晶閘管所承受的電壓相近，避免造成電壓分配不均衡導致晶閘管組使用壽命減短或直接損壞，從而使其他晶閘管組也因為過壓而出現故障，影響整個運行，這里涉及到重要器件的選型，下文會做詳細分析、介紹。

3 軟件時序設計

軟件部分設計是整套設計中的核心控制部分，其控制不同時刻輸出根據不同的指令輸出不同幅值、時刻的波形，用來控制其他部分的電路以及接受不同的反饋信號。

該設計主要采用終端輸出規定時刻、幅值的方波，經過一系列電路產生規定的高頻信號，以達到觸發信號所需，其中所有核心集中于STM32系列芯片編程處理，通過不同的DA口采用浮空或上拉發出不同的信號，以下時序圖設計包含輸入信號、輸出信號、終端信號（見圖2）。

圖2 軟件時序框圖

4 前端信號輸入設計

此部分作為單片機系統前端輸入信號設計，用來將工頻信號轉換為規定幅值、時刻的信號，經單片機處理分析，達到設計目的；其中輸入信號經過信號放大（保證采樣更加精準）→信號隔離（避免輸入信號受雜波影響）→單片機系統電路，其原理框圖見圖3。

圖3 輸入原理框圖

5 驅動原理設計

驅動部分是電子開關門極特性觸發的重要部分，其設計原理主要接收單片機發出的信號經其驅動電路、觸發電路轉換為規定幅值、時間的高頻脈沖，并至規定時刻觸發橋臂，其中高頻脈沖列的時間、幅值均可根據需要進行調整，但高頻脈沖中集成電路就需要選擇高速電路應用，才能達到設計要求，避免因芯片速度不夠，從而造成信號延遲甚至終端，影響驅動效果（驅動原理框圖見圖4）。

圖4 驅動原理框圖

6 觸發原理

觸發電路是接受來自驅動電路的高頻信號，經過觸發電路分配規定幅值、時刻至交流電子開關的每組門極，來觸發晶閘管，其中采用高壓放電管釋放相鄰閥器件之間的高壓對門極的影響，并使用特殊磁環分配來自驅動電路的高頻信號給晶閘管的門極，實現觸發目的，其中可通過磁環控制脈沖幅值（根據實際工況略微調整）。

7 器件選取

該設計主要器件是建立在晶閘管特性的基礎上，因此在參數選配上特別重要。根據應用的不同，尺寸大小是有所限制，這就要求對不同的晶閘管的參數、尺寸有所了解，才能滿足設計需要。

對于單相橋臂來說，每組串聯的晶閘管（如圖1）在開通瞬間，其所承受的電壓應保持一致，這也就決定了晶閘管的耐受電壓、Vgt、Igt及門檻電壓，其中門檻電壓應保持一致，以保證管子在同一時刻開通，理想狀態是使每組器件的承受電壓一致，但這只是理論上的，就需要給每組管子加穩態及瞬態均壓。

7.1 穩態均壓

穩態均壓是要使每組晶閘管所承受的電壓均衡?？赏ㄟ^每只晶閘管并聯一只大電阻Rp來實現均壓。為了更好的均壓效果，Rp的電流應大于晶閘管的漏電流。

Rp的值可由下式確定：

7.2 瞬態均壓

串聯晶閘管存在著tgt及 Qrr的差異（對二極管來說，只存在Qrr的差異），在開通及關斷的過程中會出現瞬態電壓分配不均。瞬態均壓是將瞬態電壓分配不均衡造成的過電壓控制到允許值?？赏ㄟ^在晶閘管兩端并聯RC，來吸收過電壓。

串聯晶閘管開通過程中的瞬態過電壓與tgt有 關。串聯晶閘管tgt的 大小與瞬態過電壓成正比，會造成晶閘管損壞。當串聯晶閘管數量多而Igt又不夠時，容易發生這種情況，因此可通過給門極施加強觸發來解決。

由于Qrr差造成的過電壓，與晶閘管的Qrr的差值及Cb有關，其值為：

選擇Qrr參數一致的管子構成串聯臂可以有效減小關斷過電壓。其值可由下式計算：

8 結束語

本文闡述了交流電子開關的軟件時序設計、驅動電路設計、輸入設計、關鍵器件的設計及選擇的思路，著重分析研究穩態均壓、瞬態均壓對整套設計的重要性及可靠性，并且實地在實驗室進行了模擬野外單向接地的試驗，對交流電子開關觸發頻率、時刻、所承受的規定電壓進行了考證，確定設計的合理性、可靠性；在交流電子開關觸發時刻、耐壓等方面均取得顯著的效果。