快速晶闸管在加速器电源系统中的应用

快速晶闸管在加速器电源系统中的应用

摘要：介绍了快速晶闸管在所研制的加速器电源系统中的应用,分析并解决了快速晶闸管的触发驱动、过压过流保护等问题。

关键词：快速晶闸管；加速器电源；脉冲功率技术

1  引言

    脉冲功率技术是一种能量密度“压缩”技术,它通过开关的瞬时导通把较长时间内储存的能量在很短的时间(μs或ns量级)内释放出来,形成幅度达数十kA甚至数百kA的强电流脉冲。脉冲功率技术对放电开关的要求是开关的动作速度必须很快，额定电流大，导通时开关的导通电阻要小。早期采用汞引燃管，火花隙等作放电开关。随着电力电子技术的发展，先是出现了普通晶闸管，但普通晶闸管的开通时间和关断时间都很长，特别是当负载为感性时,普通晶闸管的开通时间甚至需要几百μs，关断时间也需要几百μs。这在要求重复频率达200Hz的加速器电源上是无法使用的。随着导通时间和关断时间都在10μs以下的快速晶闸管的出现，特别是大电流快速晶闸管的成功研制，使得这种电力电子器件能够进入大电流快速放电开关的领域，并逐渐显示其优越性。本文介绍快速晶闸管KK400和KK1000在某加速器电源系统中的应用。

2  系统基本原理

    整个电源系统输出电流脉冲的重复频率为200Hz，在系统开始工作前，先要通过普通变压器T₁为脉冲电容器C₂预充电到400V，以后便可断开普通变压器T₁进行重复频率运行。图1是系统原理图，电路工作原理如下。

图1  系统工作原理

    1）预充电过程三相交流电经半波整流对电解电容C₁经限流电阻R₁预充电到250V，然后改由快速晶闸管KK₀对电解电容C₁直接充电到310V。在电解电容C₁充电时，A相电压经变压器升压全桥整流后经限流电阻R₂对脉冲电容C₂充电到400V。预充电结束后变压器通过继电器与脉冲电容器隔离。

    2）重复频率工作过程C₂对变压器T₂放电，快速晶闸管KK₃过零关断，电容C₂上的剩余电压反向。利用KK₂导通，C₂、L谐振实现电容C₂上电压再次反向，电压极性恢复到初始状态，但幅度已减小。再导通KK₁通过L、C₂的谐振使C₂上电压幅度也恢复到初始状态，电源工作的一个周期完成。又可开始下一个周期的工作。

3  系统中快速晶闸管的选用

    KK₀选择通态电流为400A的快速晶闸管（KK400）三只，分别用作A、B、C三相电路的整流管，KK₁和KK₂都是六只通态电流为1000A的快速晶闸管（KK1000）并联使用，KK₃是十只通态电流为1000A的快速晶闸管（KK1000）并联使用。

    从图1可见，除KK₀外，KK₁、KK₂、KK₃的负载都是感性负载。在本系统中晶闸管KK₀的触发信号由对应相经半波整流提供，当某相电压高于电容C₁上电压时，则那一相晶闸管就导通，直接对电容C₁充电。快速晶闸管KK₁、KK₂、KK₃的触发信号由计算机内控制板卡定时给出。根据图1分析知，必须保证三组晶闸管的可靠转换，即KK₃导通截止后，再导通KK₂，KK₂截止后再导通KK₁，KK₁截止后再导通KK₃。如此电源作重复频率运行，当电源运行在重复频率达200Hz时，这样一个工作周期仅5ms，KK₁、KK₂、KK₃的换相都是采用负载换相，即当快速晶闸管中电流下降为零时，晶闸管承受反向电压自然关断。因此晶闸管的开通时间和关断时间都必须很小，普通晶闸管是满足不了要求的。

4  快速晶闸管触发电路设计

    图2是快速晶闸管KK₀的触发电路。KK₀的触发是利用电源电压经二极管D整流实现同步触发。这样当某相电压高于电容C₁上电压时，触发极与阴极间也承受正向电压，晶闸管触发导通，实现对电容C₁上能量的快速补充。电容充电回路中不加限流电阻一方面保证了电容C₁上电压的快速恢复到310V左右，另一方面电容C₁上电压的迅速上升避免了触发极与阴极间电压过高而损坏晶闸管。

图2  KK₀触发电路

    图3是快速晶闸管KK₁、KK₂、KK₃的触发电路。由于KK₁、KK₂、KK₃的触发信号由计算机内控制板卡上的8253定时/计数芯片产生，为了将产生触发信号的计算机与主放电回路在电气上隔离，系统设计采用了两级脉冲变压器隔离。一级用于将计算机输出的低压小功率信号经功率放大、脉冲变压器隔离实现触发功率的放大，再提供给第二级并联的6个（触发KK₁、KK₂）或10个（触发KK₃）降压脉冲变压器触发各个并联的晶闸管。通过两级隔离一方面实现了计算机与主放电回路在电气上的隔离，另一方面实现了功率放大，满足了多只晶闸管并联运行触发功率的要求。

图3  KK₁、KK₂、KK₃触发电路

5  快速晶闸管应用中几个问题的解决

5．1  快速晶闸管触发驱动问题

    本系统中由于感性负载的存在（其中KK₂的负载为纯电感），阳极电流上升率慢。因此虽然我们已选择了导通时间小于4μs的快速晶闸管，但为了保证系统的安全可靠运行，设计触发系统时仍适当加大了触发脉宽和触发电压。实验证明10μs的触发脉宽，7V的触发电压能保证系统中晶闸管的可靠触发。

5．2  快速晶闸管过电流保护措施

    从图1的原理介绍可知，当电解电容C₁上电压达260V时，改由KK₀不经限流电阻直接对电容C₁充电。此时KK₀可能通过很大的浪涌电流，管芯发热严重，如果不采取强有力的散热措施，晶闸管很易损坏。另外，KK₁、KK₂、KK₃的运行电流也非常高。为解决

    这一难题，系统采取对所有快速晶闸管进行高速循环水冷的措施，为晶闸管的散热创造良好的条件。

5．3  快速晶闸管开关过程过电压保护

    在本系统中由于感性负载的存在，晶闸管开关过程中，尤其是在电流过零关断过程中容易受到尖峰电压的冲击，此尖峰电压一旦超过晶闸管所能承受的电压，晶闸管就会被击穿而损坏。为了防止这种情况出现，设计系统时选择了RC阻容吸收电路，将47Ω的电阻及0.15μF的电容并联跨接在快速晶闸管的阳极和阴极间，如图2和图3所示。

6  结语

    通过采取快速晶闸管并联运行，满足了系统大电流运行的要求。通过两级脉冲变压器隔离放大解决了触发电路与主电路的电气隔离，也满足了多只晶闸管同时触发的同步和功率要求。阻容吸收电路和高速循环水冷装置的设计，保证了快速晶闸管的安全运行。实验证明快速晶闸管应用在本加速器电源系统中具有运行可靠，寿命长，安装方便，无环境污染等优点。随着更大容量快速晶闸管的出现，这种电力电子器件必将在更大功率的加速器电源中得到进一步的推广应用。