快速晶閘管在加速器電源系統中的應用

摘要：介紹了快速晶閘管在所研制的加速器電源系統中的應用,分析并解決了快速晶閘管的觸發(fā)驅動(dòng)、過(guò)壓過(guò)流保護等問(wèn)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(guò)開(kāi)關(guān)的瞬時(shí)導通把較長(cháng)時(shí)間內儲存的能量在很短的時(shí)間(μs或ns量級)內釋放出來(lái),形成幅度達數十kA甚至數百kA的強電流脈沖。脈沖功率技術(shù)對放電開(kāi)關(guān)的要求是開(kāi)關(guān)的動(dòng)作速度必須很快，額定電流大，導通時(shí)開(kāi)關(guān)的導通電阻要小。早期采用汞引燃管，火花隙等作放電開(kāi)關(guān)。隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，先是出現了普通晶閘管，但普通晶閘管的開(kāi)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間都很長(cháng)，特別是當負載為感性時(shí),普通晶閘管的開(kāi)通時(shí)間甚至需要幾百μs，關(guān)斷時(shí)間也需要幾百μs。這在要求重復頻率達200Hz的加速器電源上是無(wú)法使用的。隨著(zhù)導通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間都在10μs以下的快速晶閘管的出現，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(kāi)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中的應用。

2 系統基本原理

整個(gè)電源系統輸出電流脈沖的重復頻率為200Hz，在系統開(kāi)始工作前，先要通過(guò)普通變壓器T₁為脈沖電容器C₂預充電到400V，以后便可斷開(kāi)普通變壓器T₁進(jìn)行重復頻率運行。圖1是系統原理圖，電路工作原理如下。

圖1 系統工作原理

1）預充電過(guò)程三相交流電經(jīng)半波整流對電解電容C₁經(jīng)限流電阻R₁預充電到250V，然后改由快速晶閘管KK₀對電解電容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對脈沖電容C₂充電到400V。預充電結束后變壓器通過(guò)繼電器與脈沖電容器隔離。

2）重復頻率工作過(guò)程C₂對變壓器T₂放電，快速晶閘管KK₃過(guò)零關(guān)斷，電容C₂上的剩余電壓反向。利用KK₂導通，C₂、L諧振實(shí)現電容C₂上電壓再次反向，電壓極性恢復到初始狀態(tài)，但幅度已減小。再導通KK₁通過(guò)L、C₂的諧振使C₂上電壓幅度也恢復到初始狀態(tài)，電源工作的一個(gè)周期完成。又可開(kāi)始下一個(gè)周期的工作。

3 系統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(jiàn)，除KK₀外，KK₁、KK₂、KK₃的負載都是感性負載。在本系統中晶閘管KK₀的觸發(fā)信號由對應相經(jīng)半波整流提供，當某相電壓高于電容C₁上電壓時(shí)，則那一相晶閘管就導通，直接對電容C₁充電?？焖倬чl管KK₁、KK₂、KK₃的觸發(fā)信號由計算機內控制板卡定時(shí)給出。根據圖1分析知，必須保證三組晶閘管的可靠轉換，即KK₃導通截止后，再導通KK₂，KK₂截止后再導通KK₁，KK₁截止后再導通KK₃。如此電源作重復頻率運行，當電源運行在重復頻率達200Hz時(shí)，這樣一個(gè)工作周期僅5ms，KK₁、KK₂、KK₃的換相都是采用負載換相，即當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(kāi)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間都必須很小，普通晶閘管是滿(mǎn)足不了要求的。

4 快速晶閘管觸發(fā)電路設計

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)現同步觸發(fā)。這樣當某相電壓高于電容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)導通，實(shí)現對電容C₁上能量的快速補充。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(guò)高而損壞晶閘管。

圖2 KK₀觸發(fā)電路