快速晶閘管在加速器電源系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：介紹了快速晶閘管在所研制的加速器電源系統(tǒng)中的應(yīng)用,分析并解決了快速晶閘管的觸發(fā)驅(qū)動(dòng)、過壓過流保護(hù)等問題。

關(guān)鍵詞：快速晶閘管；加速器電源；脈沖功率技術(shù)

1? 引言

??? 脈沖功率技術(shù)是一種能量密度“壓縮”技術(shù),它通過開關(guān)的瞬時(shí)導(dǎo)通把較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)存的能量在很短的時(shí)間(μs或ns量級(jí))內(nèi)釋放出來,形成幅度達(dá)數(shù)十kA甚至數(shù)百kA的強(qiáng)電流脈沖。脈沖功率技術(shù)對(duì)放電開關(guān)的要求是開關(guān)的動(dòng)作速度必須很快，額定電流大，導(dǎo)通時(shí)開關(guān)的導(dǎo)通電阻要小。早期采用汞引燃管，火花隙等作放電開關(guān)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，先是出現(xiàn)了普通晶閘管，但普通晶閘管的開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間都很長(zhǎng)，特別是當(dāng)負(fù)載為感性時(shí),普通晶閘管的開通時(shí)間甚至需要幾百μs，關(guān)斷時(shí)間也需要幾百μs。這在要求重復(fù)頻率達(dá)200Hz的加速器電源上是無法使用的。隨著導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間都在10μs以下的快速晶閘管的出現(xiàn)，特別是大電流快速晶閘管的成功研制，使得這種電力電子器件能夠進(jìn)入大電流快速放電開關(guān)的領(lǐng)域，并逐漸顯示其優(yōu)越性。本文介紹快速晶閘管KK400和KK1000在某加速器電源系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2? 系統(tǒng)基本原理

??? 整個(gè)電源系統(tǒng)輸出電流脈沖的重復(fù)頻率為200Hz，在系統(tǒng)開始工作前，先要通過普通變壓器T₁為脈沖電容器C₂預(yù)充電到400V，以后便可斷開普通變壓器T₁進(jìn)行重復(fù)頻率運(yùn)行。圖1是系統(tǒng)原理圖，電路工作原理如下。

圖1? 系統(tǒng)工作原理

??? 1）預(yù)充電過程三相交流電經(jīng)半波整流對(duì)電解電容C₁經(jīng)限流電阻R₁預(yù)充電到250V，然后改由快速晶閘管KK₀對(duì)電解電容C₁直接充電到310V。在電解電容C₁充電時(shí)，A相電壓經(jīng)變壓器升壓全橋整流后經(jīng)限流電阻R₂對(duì)脈沖電容C₂充電到400V。預(yù)充電結(jié)束后變壓器通過繼電器與脈沖電容器隔離。

??? 2）重復(fù)頻率工作過程C₂對(duì)變壓器T₂放電，快速晶閘管KK₃過零關(guān)斷，電容C₂上的剩余電壓反向。利用KK₂導(dǎo)通，C₂、L諧振實(shí)現(xiàn)電容C₂上電壓再次反向，電壓極性恢復(fù)到初始狀態(tài)，但幅度已減小。再導(dǎo)通KK₁通過L、C₂的諧振使C₂上電壓幅度也恢復(fù)到初始狀態(tài)，電源工作的一個(gè)周期完成。又可開始下一個(gè)周期的工作。

3? 系統(tǒng)中快速晶閘管的選用

??? KK₀選擇通態(tài)電流為400A的快速晶閘管（KK400）三只，分別用作A、B、C三相電路的整流管，KK₁和KK₂都是六只通態(tài)電流為1000A的快速晶閘管（KK1000）并聯(lián)使用，KK₃是十只通態(tài)電流為1000A的快速晶閘管（KK1000）并聯(lián)使用。

??? 從圖1可見，除KK₀外，KK₁、KK₂、KK₃的負(fù)載都是感性負(fù)載。在本系統(tǒng)中晶閘管KK₀的觸發(fā)信號(hào)由對(duì)應(yīng)相經(jīng)半波整流提供，當(dāng)某相電壓高于電容C₁上電壓時(shí)，則那一相晶閘管就導(dǎo)通，直接對(duì)電容C₁充電?？焖倬чl管KK₁、KK₂、KK₃的觸發(fā)信號(hào)由計(jì)算機(jī)內(nèi)控制板卡定時(shí)給出。根據(jù)圖1分析知，必須保證三組晶閘管的可靠轉(zhuǎn)換，即KK₃導(dǎo)通截止后，再導(dǎo)通KK₂，KK₂截止后再導(dǎo)通KK₁，KK₁截止后再導(dǎo)通KK₃。如此電源作重復(fù)頻率運(yùn)行，當(dāng)電源運(yùn)行在重復(fù)頻率達(dá)200Hz時(shí)，這樣一個(gè)工作周期僅5ms，KK₁、KK₂、KK₃的換相都是采用負(fù)載換相，即當(dāng)快速晶閘管中電流下降為零時(shí)，晶閘管承受反向電壓自然關(guān)斷。因此晶閘管的開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間都必須很小，普通晶閘管是滿足不了要求的。

4? 快速晶閘管觸發(fā)電路設(shè)計(jì)

??? 圖2是快速晶閘管KK₀的觸發(fā)電路。KK₀的觸發(fā)是利用電源電壓經(jīng)二極管D整流實(shí)現(xiàn)同步觸發(fā)。這樣當(dāng)某相電壓高于電容C₁上電壓時(shí)，觸發(fā)極與陰極間也承受正向電壓，晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)對(duì)電容C₁上能量的快速補(bǔ)充。電容充電回路中不加限流電阻一方面保證了電容C₁上電壓的快速恢復(fù)到310V左右，另一方面電容C₁上電壓的迅速上升避免了觸發(fā)極與陰極間電壓過高而損壞晶閘管。

圖2? KK₀觸發(fā)電路

??? 圖3是快速晶閘管KK₁、KK₂、KK₃的觸發(fā)電路。由于KK₁、KK₂、KK₃的觸發(fā)信號(hào)由計(jì)算機(jī)內(nèi)控制板卡上的8253定時(shí)/計(jì)數(shù)芯片產(chǎn)生，為了將產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)的計(jì)算機(jī)與主放電回路在電氣上隔離，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了兩級(jí)脈沖變壓器隔離。一級(jí)用于將計(jì)算機(jī)輸出的低壓小功率信號(hào)經(jīng)功率放大、脈沖變壓器隔離實(shí)現(xiàn)觸發(fā)功率的放大，再提供給第二級(jí)并聯(lián)的6個(gè)（觸發(fā)KK₁、KK₂）或10個(gè)（觸發(fā)KK₃）降壓脈沖變壓器觸發(fā)各個(gè)并聯(lián)的晶閘管。通過兩級(jí)隔離一方面實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與主放電回路在電氣上的隔離，另一方面實(shí)現(xiàn)了功率放大，滿足了多只晶閘管并聯(lián)運(yùn)行觸發(fā)功率的要求。

圖3? KK₁、KK₂、KK₃觸發(fā)電路

5? 快速晶閘管應(yīng)用中幾個(gè)問題的解決

5．1? 快速晶閘管觸發(fā)驅(qū)動(dòng)問題

??? 本系統(tǒng)中由于感性負(fù)載的存在（其中KK₂的負(fù)載為純電感），陽(yáng)極電流上升率慢。因此雖然我們已選擇了導(dǎo)通時(shí)間小于4μs的快速晶閘管，但為了保證系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，設(shè)計(jì)觸發(fā)系統(tǒng)時(shí)仍適當(dāng)加大了觸發(fā)脈寬和觸發(fā)電壓。實(shí)驗(yàn)證明10μs的觸發(fā)脈寬，7V的觸發(fā)電壓能保證系統(tǒng)中晶閘管的可靠觸發(fā)。

5．2? 快速晶閘管過電流保護(hù)措施

??? 從圖1的原理介紹可知，當(dāng)電解電容C₁上電壓達(dá)260V時(shí)，改由KK₀不經(jīng)限流電阻直接對(duì)電容C₁充電。此時(shí)KK₀可能通過很大的浪涌電流，管芯發(fā)熱嚴(yán)重，如果不采取強(qiáng)有力的散熱措施，晶閘管很易損壞。另外，KK₁、KK₂、KK₃的運(yùn)行電流也非常高。為解決

??? 這一難題，系統(tǒng)采取對(duì)所有快速晶閘管進(jìn)行高速循環(huán)水冷的措施，為晶閘管的散熱創(chuàng)造良好的條件。

5．3? 快速晶閘管開關(guān)過程過電壓保護(hù)

??? 在本系統(tǒng)中由于感性負(fù)載的存在，晶閘管開關(guān)過程中，尤其是在電流過零關(guān)斷過程中容易受到尖峰電壓的沖擊，此尖峰電壓一旦超過晶閘管所能承受的電壓，晶閘管就會(huì)被擊穿而損壞。為了防止這種情況出現(xiàn)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)選擇了RC阻容吸收電路，將47Ω的電阻及0.15μF的電容并聯(lián)跨接在快速晶閘管的陽(yáng)極和陰極間，如圖2和圖3所示。

6? 結(jié)語(yǔ)

??? 通過采取快速晶閘管并聯(lián)運(yùn)行，滿足了系統(tǒng)大電流運(yùn)行的要求。通過兩級(jí)脈沖變壓器隔離放大解決了觸發(fā)電路與主電路的電氣隔離，也滿足了多只晶閘管同時(shí)觸發(fā)的同步和功率要求。阻容吸收電路和高速循環(huán)水冷裝置的設(shè)計(jì)，保證了快速晶閘管的安全運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)證明快速晶閘管應(yīng)用在本加速器電源系統(tǒng)中具有運(yùn)行可靠，壽命長(zhǎng)，安裝方便，無環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)。隨著更大容量快速晶閘管的出現(xiàn)，這種電力電子器件必將在更大功率的加速器電源中得到進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。