20kV小電流可控硅固體開(kāi)關(guān)的研制

　　引言

　　固體開(kāi)關(guān)構成的固體繼電器(Solid State Re-lav，SSR)是利用現代微電子技術(shù)與電力電子技術(shù)相結合發(fā)展起來(lái)的一種新型無(wú)觸點(diǎn)電子開(kāi)關(guān)器件。與傳統的電磁繼電器相比，它具有高穩定、高可靠、無(wú)觸點(diǎn)、長(cháng)壽命等優(yōu)點(diǎn)。

　　由于固體開(kāi)關(guān)在加速器、雷達發(fā)射機、高功率微波、污染控制、醫用等軍民用領(lǐng)域具有較明顯的潛在優(yōu)勢，美、英、日等國均對固體開(kāi)關(guān)技術(shù)進(jìn)行了大量研究。根據應用要求的不同，固體開(kāi)關(guān)中單元功率器件也不盡相同。若要求固體開(kāi)關(guān)具有很快的開(kāi)關(guān)速度和高重復頻率，單元器件一般采用功率場(chǎng)效應管(Power M0SFET)或絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)。對單個(gè)脈沖放電或低頻充放電時(shí)所用的開(kāi)關(guān)，用可控硅串聯(lián)即可實(shí)現。

　　可控硅是以“小控制大”的功率開(kāi)關(guān)器件，用一個(gè)小的控制電流控制門(mén)極完成電路中電流控制作用，具有體積小、重量輕、低功耗、長(cháng)壽命等優(yōu)點(diǎn)。為了降低串聯(lián)的可控硅數量，應盡可能地選取耐壓較高的可控硅，同時(shí)綜合考慮價(jià)格因素。我們選取了意法半導體(ST)的可控硅TYNl225，單管耐壓可達l 200V，且價(jià)格便宜。

　　本文通過(guò)脈沖變壓器隔離控制28個(gè)串聯(lián)可控硅(TYNl225)，得到了 20 kV小電流開(kāi)關(guān)，對固體開(kāi)關(guān)的串聯(lián)技術(shù)進(jìn)行了試驗研究，并討論了串聯(lián)電路所涉及到的觸發(fā)信號的高壓隔離技術(shù)、驅動(dòng)信號同步技術(shù)以及功率器件的動(dòng)態(tài)靜態(tài)均壓技術(shù)。實(shí)驗電路如圖1所示。

　　1 串聯(lián)開(kāi)關(guān)的驅動(dòng)(控制)電路

　　為保證同步觸發(fā)，系統中所有開(kāi)關(guān)的觸發(fā)信號必須來(lái)自同一個(gè)信號源。 手冊給出使TYNl225導通的門(mén)極閾值電壓Vgt低于1.5V，閾值電流Igt低于40mA。它可直接用變壓器觸發(fā)，不需額外的驅動(dòng)電路。當撤掉晶閘管門(mén)極觸發(fā)信號后，要使它保持導通，流經(jīng)它的電流必須大于某個(gè)值，這個(gè)值就是它的維持電流。在本實(shí)驗中晶閘管導通時(shí)，電流最高僅為1mA，低于TYN1225的維持電流(幾十個(gè)mA)，因此采取的方式是觸發(fā)信號到來(lái)之后始終加一直流電壓在它的門(mén)極來(lái)驅動(dòng)保持其導通。

　　本實(shí)驗的控制信號由信號發(fā)生器提供，信號發(fā)生器輸出50 kHz的方波，經(jīng)過(guò)功率MOSFET/IGBT驅動(dòng)芯片IXDN414得到同頻率的驅動(dòng)信號來(lái)驅動(dòng)MOSFET APT10026，隨著(zhù)APTl0026的通斷，變壓器的初級上產(chǎn)生近似方波的信號，由于變壓器各個(gè)次級繞組完全一致，所以，在次級得到一致的多個(gè)信號來(lái)控制串聯(lián)的可控硅同步導通。

　　IXDN414是lXYS公司出品的高速MOSFET/IGBT門(mén)極驅動(dòng)器，它的輸入兼容TTL與CMOS信號。本設計中通過(guò)凋節信號發(fā)生器的輸出方波的幅度來(lái)控制IXDN414的輸出。當信號發(fā)生器輸出的方波幅值存IXDN414輸入端的低電平范圍內時(shí)，IXDN414的輸出始終為低電平;調節信號發(fā)生器，使輸出幅值進(jìn)入IXDN414輸入端的高電平范圍，IXDN414便輸出50 kHz的方波信號，此信號驅動(dòng)APT10026，變壓器的初級上便有了圖2所示的驅動(dòng)信號。

　　2 變壓器設計

　　在脈沖變壓器隔離控制的可控硅固體開(kāi)關(guān)中，變壓器的設計非常重要，要求次級信號嚴格一致。當變壓器初級有了圖2所示的方波信號時(shí)，由于變壓器的漏感漏電容的存在，次級繞組的電壓波形如圖3所示，它與圖2有稍許差異。當它經(jīng)橋堆整流時(shí)，在每個(gè)橋臂上均會(huì )產(chǎn)生一定壓降，經(jīng)過(guò)晶閘管門(mén)極限流電阻后，可控硅門(mén)極的電壓不到1 V(對陰極)，實(shí)驗證明這個(gè)電壓能很好地促使可控硅保持導通。

　　為了保證驅動(dòng)信號的一致性，應盡量減少各種分布參數的影響。選取合適的磁芯，減少變壓器繞組匝數是一種方法。選取μr較大的磁芯，這樣單匝線(xiàn)圈的電感量比較大，就可以減少繞組匝數。我們設汁的變壓器處、次級匝數比為4：1，初級有4匝，因而次級只用了l匝。實(shí)驗證明這樣非常好地保證了次級繞組的一致性，同時(shí)由于線(xiàn)圈的減少也有效地控制了變壓器的體積。變壓器的初級電感量必須足夠大，如果感抗太小，遠低于負載等效阻抗，可以看作近似短路，將會(huì )燒毀前面的APT10026。實(shí)際制作的變壓器初級電感Lp在50kHz時(shí)大約為600μH。不考慮漏感等影響因素，感抗ωLp=2π50k600μH=60πΩ。

　　當可控硅導通不一致時(shí)，會(huì )出現一種情況：高壓源直接加于變壓器的兩組次級繞組上。這就要求變壓器初級和次級間、各次級相互之間均能夠承受足夠高的電壓。本文將變壓器任意兩個(gè)次級繞組間耐壓設汁為21 kV，可以承受電源最大電壓，這就保證了變壓器不會(huì )被擊穿。

　　3 可控硅的串聯(lián)與實(shí)驗結果

　　實(shí)驗原理如圖4所示，串聯(lián)的可控硅用兩個(gè)開(kāi)關(guān)SW1和SW2表示，首先，控制器控制SW0閉合，SW1和SW2斷開(kāi)，高壓直流電壓源HV對電容C1充電;然后控制器斷開(kāi)SW0，閉合SW1和SW2，電容C1對負載Rl與R1放電。這樣在控制器的控制下，就可以周期地對C1充放電。R1遠小于Rl，起分壓作用，便于測量波形。SW1和SW2導通時(shí)，R1上的電壓波形特征即反映了開(kāi)關(guān)導通特性。

　　要得到耐壓20kV的開(kāi)關(guān)，其電流約l mA。TYNl225的通態(tài)平均電流可達16A，完全滿(mǎn)足開(kāi)關(guān)對電流的要求，我們要做的是將多個(gè)TYNl225串聯(lián)起來(lái)提高耐壓?？紤]到降額使用，每個(gè)管子的工作電壓取其標稱(chēng)值的60～70%，再加上串聯(lián)系統中的冗余設計，串聯(lián)管子的數量應適當增加。

　　實(shí)驗時(shí)，沒(méi)有沒(méi)置原理圖中的SW0、R0和C1等組件，用高壓直流電源直接加于串聯(lián)的可控硅及負載電阻的兩端，略去了R1，直接用高壓探頭測量RL上電壓波形。測量了串聯(lián)開(kāi)關(guān)單次導通時(shí)負載電阻RL上的電壓波形。

　　圖1中Rp為靜態(tài)均壓電阻，Ds、Rs、Cs構成動(dòng)態(tài)均壓網(wǎng)絡(luò )。由于阻斷狀態(tài)下各可控硅的阻斷電阻存在較大差異，Rp的作用就是在正向阻斷狀態(tài)下，完成各可控硅的直流均壓，要求其阻值遠小于開(kāi)關(guān)管的泄漏電阻，同時(shí)兼顧其功耗。實(shí)際使用中，也并非所有管子的Rp都完全同樣大小，必要時(shí)應該在實(shí)驗中根據每只管子的性能差異進(jìn)行合理地調整。同時(shí)，又因為可控硅工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，增加了出現電壓不均現象的可能性，特別是開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間不一致，最后開(kāi)通或關(guān)斷的管子將獨自承受高壓。動(dòng)態(tài)均壓網(wǎng)絡(luò )可以用來(lái)解決電壓不均問(wèn)題，實(shí)質(zhì)上就是利用電容Cs兩端電壓不能突變的特性使得每只管子所承受的瞬態(tài)電壓分配均勻。因此要求Cs的值比可控硅陽(yáng)極和陰極間的結電容大得多。

　　如圖1所示，變壓器次級接全橋整流電路，每個(gè)橋臂均采用超快恢復二極管UF4007，整流橋后接電容C2-1到C2-28濾波。電容C2-1到C2-28需要取一個(gè)合適的值。當取值太小時(shí)，在可控硅的門(mén)極得不到足夠大的驅動(dòng)電壓使其導通;取值太大時(shí)，由于電容本身固有的誤差較大，很難保證其值大小完全相同，會(huì )導致可控硅門(mén)極電壓上升時(shí)間不一致，也就使可控硅不能一致導通。

　　實(shí)驗中，先在低壓電源下測試串聯(lián)可控硅的導通一致性。首先運用少量可控硅串聯(lián)進(jìn)行實(shí)驗，以獲取導通時(shí)的負載波形。8個(gè)管子串聯(lián)，濾波電容C2取10μF，觸發(fā)信號到來(lái)之后，圖5(a)為負載電阻上的電壓波形，可以明顯地看出可控硅的導通嚴重不一致，從開(kāi)始導通到完全導通用時(shí)超過(guò)了7μs;電容取O.1μF后，管子能很好地一致導通，如圖5(b)所示。

　　將28個(gè)可控硅串聯(lián)起來(lái)，逐步抬高電源電壓值進(jìn)行測試。串聯(lián)的可控硅均能很好地導通，隨著(zhù)電源電壓的抬高，其上升時(shí)間也會(huì )逐漸降低。當HV=20kV時(shí)，觸發(fā)信號使能后，負載電阻RL上的電壓波形如圖6所示，示波器記錄上升時(shí)間Tr=164.8 ns，低壓375V系未導通時(shí)電源電壓HV在負載RL的分壓，靜態(tài)時(shí)的漏電流很小，I漏=375/20MΩ=18.75μA。

　　4 結語(yǔ)

　　本文成功地進(jìn)行了多個(gè)可控硅串聯(lián)作20 kV開(kāi)關(guān)的實(shí)驗。實(shí)驗結果表明，用多個(gè)普通可控硅串聯(lián)起來(lái)作低成本、低頻率的高壓開(kāi)關(guān)是可以實(shí)現的。今后將在開(kāi)關(guān)的可靠性方面做更大的努力，并研究通過(guò)光隔離控制多個(gè)串聯(lián)的功率開(kāi)關(guān)，設計出更高電壓的大功率同體開(kāi)關(guān)，并用單片機或PC機取代實(shí)驗中所用的信號發(fā)生器來(lái)實(shí)現程控開(kāi)關(guān)功能。