一種高壓大電流光控固體電子放電開關

摘要：介紹了一種光控晶閘管放電開關，作為0．75 MJ電容型電源模塊的主放電開關，它由6只國產大功率光控晶閘管串聯組成，配有均壓保護電路和觸發單元，最高阻斷電壓為45 kV，最大放電電流為55．3 kA。該放電開關已成功應用于生產，各項技術指標均達到設計要求。
關鍵詞：光控晶閘管；高壓大電流；放電開關

1 引言
在大功率大電流脈沖電源系統中，常用閉合開關有交流接觸器、帶預設電阻的專用接觸器和晶閘管電子開關等。其中晶閘管電子開關充分利用了晶閘管特性，可使電流從零快速上升到額定工作電流。斷開時，晶閘管上的電流過零切除，可實現電容器投入無涌流、切除無過壓、投切無電弧的快速動態補償功能，能較好地解決電容器放電時產生的暫態沖擊問題。這里介紹了一種晶閘管放電開關，用作0．75 MJ電容型電源模塊的主放電開關，其最高阻斷電壓45 kV，最大放電電流55．3 kA。

2 晶閘管放電開關的設計
圖1為0．75 MJ電容型電源模塊簡化等效電路。放電開關由6只國產大功率光控晶閘管串聯組成，光控晶閘管采用光觸發，保證了主電路與控制電路絕緣，故可避免電磁干擾，配有均壓保護電路和觸發單元，組成一個獨立完整的固體開關，用一個小功率電信號(15 V／0．1 A)即可觸發導通。因此廣泛應用于高壓大功率脈沖電路的控制。

2．1 電子開關的技術指標
規格25 kV／55 kA；額定工作電壓25 kV；最大直流阻斷電壓為45 kV；最大放電電流大于55 kA(10 ms)；I2t積分值大于15．7×106 A2·s，具有靜、動態均壓及內部BOD保護電路；觸發控制信號(15±2)V／100 mA，脈寬(20±2)ms；單脈沖放電，兩連續工作脈沖間隔不小于10 min，自然冷卻，模塊結構。
2．2 原理與結構
固體電子開關電氣原理圖如圖2所示。25 kV／55 kA／10 ms光控晶閘管放電開關由6只國產KL37WY8000型大功率光控晶閘管串聯組成，包括靜、動態均壓電路及光控晶閘管觸發器。用戶只需(15±2)V／100 mAx20 ms的控制信號即可開通光控晶閘管放電開關(6只光控晶閘管同時開通)。由于串聯器件存在開通時間及反向恢復電荷差異，在開通及關斷過程中會出現瞬態電壓分配不均衡。瞬態均壓就是將瞬態均壓分配不均衡造成的過電壓抑制到允許值，其措施之一為在每只串聯器件兩端并聯由Rb，Cb組成的RbCb阻容吸收電路，以便吸收瞬態過電壓。電阻Rb用于抑制回路電感與電容Cb引起的振蕩，并抑制晶閘管觸發開通時Cb的放電電流。從抑制振蕩及抑制開通放電電流考慮，希望Rb較大。但Rb較大時，Cb充電電流會在Rb上產生較高的電壓值，使晶閘管遭受過電壓，故Rb的選取要綜合考慮這兩方面因素。

3 電路主要參數的選擇
3．1 光控晶閘管的選擇：
光控晶閘管反向重復阻斷電壓為：
URRM≥UCMKAU／KUns (1)
式中：UCM為充電電容最高電壓，UCM=25 kV；KAU為冗余度，KAU=1．3；KU為均壓系數，KU=0．8；ns為光控晶閘管串聯數量，ns=6。
可得URRM≈6．9 kV。根據固體電子開關其他技術要求，選用國產KL37WY8000型光控晶閘管，主要技術參數為：URRM=7．5 kV；ITAVM= 3．57 kA；ITSM=90 kA；I2t=40．5×106A2·s，可完全滿足上述技術要求。
3．2 均壓電阻選擇
串聯電力電子器件穩態均壓是指器件處于正向或反向阻斷時電壓均衡。在串聯器件處于阻斷狀態時，由于其伏安特性不一致，在直接串聯時將分擔不同的電壓。穩態均壓最常用的方法是給每只串聯器件并聯一只均壓電阻Rp。為獲得較好的穩態均壓，Rp中的電流應大于串聯器件的漏電流。Rp的大小取決于串聯器件的漏電流值及它們的漏電流之差，當漏電流差值小時，Rp可取較大的值。若不考慮串聯器件漏電流差異，則Rp為：
Rp≤(1／KU-1)URRM／IRRM (2)
式中：URRM為額定重復峰值電壓；IRRM為額定重復峰值電壓為URRM時的漏電流。
可得Rp≤93．75 kΩ，取Rp=91 kΩ。RP的功率PRp≥(UCMns)2／Rp，可得PRp≥190 W，取PRp=250 W。
3．3 RC動態均壓參數的選擇
當串聯光控晶閘管采用門極強觸發時，反向恢復電荷差異造成的關斷過電壓成為瞬態均壓的主要問題。則串聯光控晶閘管承受的最大關斷過電壓(單位V)為：
△Umax=△Qmax／Gb (3)
式中：△Qmax為串聯光控晶閘管間反向恢復電荷的最大差值，單位μC；Cb為瞬態均壓電容器的電容量，單位μF。
減小關斷過電壓的有效措施為選擇反向恢復電荷值基本一致的光控晶閘管構成串聯臂。則有：

式中：為換相電壓，其最大值為變壓器輸出側線電壓峰值，單位V。
可得Cb=0．47μF，Cb耐壓選為8 kV。由經驗選擇Rb=15 Ω。Rb的功率PRb=fCb(UAM／ns)2=200 W。

4 實 驗
該光控晶閘管放電開關于2010年3月交付用戶使用并通過了專家組驗收。圖3為該放電開關在實際放電過程中實測波形，當儲能電容電壓達到25 kV時放電電流峰值達到55．3 kA，完全達到設計要求。經一段時間的實際應用，證明該光控晶閘管放電開關比以往的普通晶閘管放電開關在抗電磁干擾和可靠性方面性能更佳。

5 結論
介紹了光控晶閘管放電開關的結構和工作原理，分析了電子開關的設計要求，采用RbCb阻容吸收電路來吸收瞬態過電壓，且給每只串聯的器件并聯一只均壓電阻，穩態均壓效果較好。理論分析和實測結果驗證了該方案的有效性和實用性。