2014年05月21日

一种高压大电流光控固体电子放电开关

  组成,配有均压电和触发单元,最高阻断电压为45 kV,最大放电电流为55.3 kA。该

  在大功率大电流脉冲电源系统中,常用闭合开关有交流接触器、带预设电阻的专用接触器和晶闸管电子开关等。其中晶闸管电子开关充分利用了晶闸管特性,可使电流从零快速上升到额定工作电流。断开时,晶闸管上的电流过零切除,可实现电容器投入无涌流、切除无过压、投切无电弧的快速动态补偿功能,能较好地解决电容器放电时产生的暂态冲击问题。这里介绍了一种晶闸管放电开关,用作0.75 MJ电容型电源模块的主放电开关,其最高阻断电压45 kV,最大放电电流55.3 kA。

  图1为0.75 MJ电容型电源模块简化等效电。放电开关由6只国产大功率光控晶闸管组成,光控晶闸管采用光触发,了主电与控制电绝缘,故可避免电磁干扰,配有均压电和触发单元,组成一个完整的固体开关,用一个小功率电信号(15 V/0.1 A)即可触发导通。因此广泛应用于高压大功率脉冲电的控制。

  固体电子开关电气原理图如图2所示。25 kV/55 kA/10 ms光控晶闸管放电开关由6只国产KL37WY8000型大功率光控晶闸管组成,包括静、动态均压电及光控晶闸管触发器。用户只需(152)V/100 mAx20 ms的控制信号即可开通光控晶闸管放电开关(6只光控晶闸管同时开通)。由于器件存在开通时间及反向恢复电荷差异,在开通及关断过程中会出现瞬态电压分配不均衡。瞬态均压就是将瞬态均压分配不均衡造成的过电压到允许值,其措施之一为在每只器件两端并联由Rb,Cb组成的RbCb阻容吸收电,以便吸收瞬态过电压。电阻Rb用于回电感与电容Cb引起的振荡,并晶闸管触发开通时Cb的放电电流。从振荡及开通放电电流考虑,希望Rb较大。但Rb较大时,Cb充电电流会在Rb上产生较高的电压值,使晶闸管遭受过电压,故Rb的选取要综合考虑这两方面因素。

  式中:UCM为充电电容最高电压,UCM=25 kV;KAU为冗余度,KAU=1.3;KU为均压系数,KU=0.8;ns为光控晶闸管数量,ns=6。

  电力电子器件稳态均压是指器件处于正向或反向阻断时电压均衡。在器件处于阻断状态时,由于其伏安特性不一致,在直接时将分担不同的电压。稳态均压最常用的方法是给每只器件并联一只均压电阻Rp。为获得较好的稳态均压,Rp中的电流应大于器件的漏电流。Rp的大小取决于器件的漏电流值及它们的漏电流之差,当漏电流差值小时,Rp可取较大的值。若不考虑器件漏电流差异,则Rp为:

  式中:URRM为额定重复峰值电压;IRRM为额定重复峰值电压为URRM时的漏电流。

  当光控晶闸管采用门极强触发时,反向恢复电荷差异造成的关断过电压成为瞬态均压的主要问题。则光控晶闸管承受的最大关断过电压(单位V)为:

  式中:△Qmax为光控晶闸管间反向恢复电荷的最大差值,单位C;Cb为瞬态均压电容器的电容量,单位F。

  减小关断过电压的有效措施为选择反向恢复电荷值基本一致的光控晶闸管构成臂。则有:

  该光控晶闸管放电开关于2010年3月交付用户使用并通过了专家组验收。图3为该放电开关在实际放电过程中实测波形,当储能电容电压达到25 kV时放电电流峰值达到55.3 kA,完全达到设计要求。经一段时间的实际应用,证明该光控晶闸管放电开关比以往的普通晶闸管放电开关在抗电磁干扰和可靠性方面性能更佳。

  介绍了光控晶闸管放电开关的结构和工作原理,分析了电子开关的设计要求,采用RbCb阻容吸收电来吸收瞬态过电压,且给每只的器件并联一只均压电阻,稳态均压效果较好。理论分析和实测结果验证了该方案的有效性和实用性。