CN101976942B - 一种基于光触发晶闸管的大功率放电开关装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光触发晶闸管的大功率放电开关装置，包括光触发晶闸管单元、静态均压电阻单元、动态均压RC回路单元和开关压装组件单元，光触发晶闸管单元包括7个以上相互串联的光触发晶闸管元件；静态均压电阻单元和动态均压RC回路单元与光触发晶闸管单元并联连接；动态均压RC回路单元包括吸收电容和动态吸收电阻，吸收电容和动态吸收电阻串联连接；开关压装组件起固定和连接光触发晶闸管单元、静态均压电阻单元、动态均压RC回路单元的作用。该发明的实施方式很好地克服了传统机械开关的控制响应速度慢，触发抖动大，在大电流下触头容易烧损，可靠性和安全性差等缺陷。

Description

一种基于光触发晶闸管的大功率放电开关装置

技术领域

本发明涉及一种大功率放电开关装置，尤其是涉及一种应用于大功率脉冲电源等大功率脉冲开关应用领域的基于光触发晶闸管的大功率放电开关装置。

背景技术

随着科学技术的发展，脉冲功率技术和脉冲电流试验技术对放电开关提出了越来越高的要求，如要求可靠性高、宽的工作范围、较小的开关时延与抖动、使用寿命长等。

传统的机械开关由于控制响应速度慢、触发抖动大、在大电流下触头容易烧损、可靠性和安全性差，因此很难作为大功率放电开关使用。晶闸管是一种能通过控制触发导通的电子开关，具有响应速度快、损耗小、可靠性高等优点。因此，大功率放电开关可以采用晶闸管元件串并联来实现，使它能够承受高电压和大电流。

光触发晶闸管（Light Triggered Thyristor，简称LTT）是一种为高压应用而设计开发的新型高压大功率的半导体器件。光触发晶闸管采用直接光触发方式，且内部集成了BOD功能，省去了触发电路板和BOD（Break Over Diode，击穿二极管）电路板，因此大大提高了其可靠性。

本发明采用光触发晶闸管作为放电开关元件，涉及半导体器件的安装、传热、固体及流体应力分析、高压绝缘配合等多方面的技术。特别是放电开关的机械安装构造方法至关重要，只有采用合理的的机械安装构造方法，才能为放电开关的安全运行和方便维护提供有力保障。

发明内容

本发明提供一种基于光触发晶闸管的大功率放电开关装置，该发明可以很好地克服现有传统机械开关的控制响应速度慢，触发抖动大，在大电流下触头容易烧损，可靠性和安全性差等缺陷，提供了一种结构简单、可靠性高、电气性能好、免维护的基于光触发晶闸管元件的大功率放电开关装置。

本发明提供一种基于光触发晶闸管的大功率放电开关装置的具体实施方法，一种基于光触发晶闸管的大功率放电开关装置，包括光触发晶闸管单元、静态均压电阻单元、动态均压RC回路单元和开关压装组件单元，光触发晶闸管单元包括7个以上相互串联的光触发晶闸管元件；静态均压电阻单元和动态均压RC回路单元与光触发晶闸管单元并联连接；动态均压RC回路单元包括吸收电容和动态吸收电阻，吸收电容和动态吸收电阻串联连接，开关压装组件起固定和连接光触发晶闸管单元、静态均压电阻单元、动态均压RC回路单元的作用。

作为本发明进一步的实施方式，光触发晶闸管单元包括光触发晶闸管元件、散热块和光纤，散热块紧贴光触发晶闸管元件安装，光纤的NC型耐高压弯管端压装到光触发晶闸管元件内，另一端ST接头连接至由激光二极管构成的脉冲分配板等控制系统，脉冲分配板将光触发信号由低压控制设备同步传递到每个光触发晶闸管元件上。

作为本发明进一步的实施方式，静态均压电阻单元包括静态均压电阻和电阻弯管，电阻弯管将静态均压电阻固定在相邻的两块低感母线板之间，静态均压电阻采用无感电阻，实现光触发晶闸管元件的静态均压。静态均压电阻的阻值一般设为光触发晶闸管阻断状态等效阻值的1/4至1/5。

作为本发明进一步的实施方式，动态均压RC回路单元包括电阻弯管、吸收电容、支持绝缘子和动态吸收电阻，动态均压RC回路单元的吸收电容和动态吸收电阻串联连接后并联至光触发晶闸管正极和负极，动态吸收电阻通过电阻弯管固定在低感母线板上，吸收电容通过支持绝缘子固定在低感母线板上。

作为本发明进一步的实施方式，吸收电容和动态吸收电阻的另一个接线端均采用二次高压电缆分别连接到相邻的上下两块低感母线板上，即并联到单个光触发晶闸管元件的正负极，抑制光触发晶闸管元件关断时的过压，同时实现动态均压。

作为本发明进一步的实施方式，开关压装组件单元包括螺母、压板、螺杆和拉板，光触发晶闸管单元、静态均压电阻单元和动态均压RC回路单元固定在螺杆上，同时通过螺母将光触发晶闸管单元、静态均压电阻单元和动态均压RC回路单元压装在两块压板之间，拉板供吊装和安装光触发晶闸管单元、静态均压电阻单元和动态均压RC回路单元时使用。螺杆进一步为塑料螺杆，螺母进一步为方形塑料螺母。

通过应用本发明实施方式所描述的一种光触发晶闸管大功率放电开关装置，主要有以下优点：

（1）由于光触发晶闸管采用直接光触发方式，且内部集成了光敏触发区、内部过压保护器和内置保护电阻，使其具有BOD保护功能，所以开关上免去了触发电路板和BOD板，这样既简化了放电开关结构，又减少了电磁交互干扰，使可靠性大大提高。

（2）采用低感母线板设计。低感母线板的四边分别单独安装静态均压电阻单元、阻尼电阻单元、吸收电容单元，设计出最优化的结构配置，实现了整个装置的模块化结构并满足高压电气绝缘距离，而且，避免了以往复杂的电缆连接和电磁干扰。

（3）采用的纤维加强塑料替代金属螺栓紧固件技术，取消了以往技术中采用的高压绝缘套杯，避免了高压套杯在使用中容易出现击穿的现象，同时优化了元件压装技术和工艺效果。

（4）模块化设计。用同样的零件可以装配出不同电压等级的开关，减少零件种类。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种基于光触发晶闸管的大功率放电开关装置的主电路原理图；

图2是本发明一种基于光触发晶闸管的大功率放电开关装置的结构示意图一-主视图；

图3是本发明一种基于光触发晶闸管的大功率放电开关装置的结构示意图二-后视图；

图4是本发明一种基于光触发晶闸管的大功率放电开关装置的结构示意图三-俯视图；

图5是本发明一种基于光触发晶闸管的大功率放电开关装置的结构示意图四-左视图；

图6是本发明一种基于光触发晶闸管的大功率放电开关装置的结构示意图四-立体图；

其中：1-螺母，2-压板，3-电阻弯管，4-静态均压电阻，5-低感母线板，6-光触发晶闸管元件，7-散热块，8-螺杆，9-吸收电容，10-光纤，11-支持绝缘子，12-动态吸收电阻，13-拉板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

作为本发明一种基于光触发晶闸管的大功率放电开关装置的具体实施方式，如图1光触发晶闸管大功率放电开关装置的主电路原理图所示，光触发晶闸管大功率放电开关装置主电路主要包括：光触发晶闸管单元、静态均压电阻单元、动态均压RC回路单元和开关压装组件单元。每台放电开关装置包括若干个光触发晶闸管元件6串联的光触发晶闸管单元；静态均压电阻单元和动态均压RC回路单元与光触发晶闸管单元并联连接；开关压装组件单元起固定和连接作用。其中，每一个光触发晶闸管单元都包括光触发晶闸管6，静态均压电阻单元包括静态均压电阻4，动态均压RC回路单元包括吸收电容9和动态吸收电阻12。其中，静态均压电阻4和动态均压RC回路单元均与光触发晶闸管元件6并联连接，动态均压RC回路单元包括吸收电容9和动态吸收电阻12，吸收电容9和动态吸收电阻12串联连接。

如图2至图6基于光触发晶闸管的大功率放电开关装置的结构示意图所示，基于光触发晶闸管的大功率放电开关装置主要包括：光触发晶闸管单元、静态均压电阻单元、动态均压RC回路单元和开关压装组件单元。

光触发晶闸管单元包括光触发晶闸管元件6、散热块7和光纤10，散热块7紧贴光触发晶闸管元件6安装，既可有效的增强元件的导电接触面积，亦可提供模块化结构需要的足够散热空间；光纤10的NC型（耐高压直插式弯管型）耐高压弯管端压装到光触发晶闸管元件6内，另一端ST（卡接式圆型）接头连接至由激光二极管构成的脉冲分配板等控制系统，此光纤的NC型耐高压弯管的钢管长度选型取决于光触发晶闸管型号，高压光纤的作用是将光触发信号由低压控制设备传递到光触发晶闸管元件上，是理想的高、低压电位隔离器件，且具有长距离传递衰减小，不受电气干扰和磁场干扰的优点。

静态均压电阻单元包括静态均压电阻4和电阻弯管3，电阻弯管3将静态均压电阻4固定在相邻的两块低感母线板之间，从而优化了结构，避免了以往结构设计中采用二次电缆实现静态均压电阻单元并联到单个光触发晶闸管单元的正负极；静态均压电阻4采用无感电阻，阻值约为光触发晶闸管阻断状态等效阻值的几分之一，一般为1/4～1/5，且功率留有足够大的裕量，用以实现可控硅的静态均压。

动态均压RC回路单元包括电阻弯管3、吸收电容9、支持绝缘子11和动态吸收电阻12，支持绝缘子11的作用一是使吸收电容9接地（低感母线板上）；二是能够起到固定动态吸收电阻12的作用。动态均压RC回路采用二次高压电缆串联连接，吸收电容9和动态吸收电阻12的另一个接线端均采用二次高压电缆分别连接到相邻的上下低感母线板上，即实现并联到单个光触发晶闸管单元的正负极，起有效抑制光触发晶闸管元件6关断时的过压，并起动态均压作用。动态吸收电阻12和吸收电容9共同组成动态均压网络，均压过程主要是由吸收电容9完成的，串联的各只可控硅开关速度不会完全一致，而会稍有差别，吸收电容9上的电压在静态情况下数值相同，在开关过程中，由于电容上的电压不能突变，强迫各只可控硅上的压降不会发生跳变，而电流不一致所造成的影响将由吸收电容9的充放电进行补偿。

开关压装组件单元主要包括螺母1、压板2、螺杆8和拉板13等，整个放电开关装置经过特殊的工艺设计，采用螺母1、压板2、螺杆8实现对光触发晶闸管单元、静态均压电阻单元、动态均压RC回路单元的模块化元件压装，螺母1采用方形螺母，螺杆8采用塑料螺杆，拉板13是吊装和供安装使用的。此种方式采用塑料螺杆取代金属双头螺杆，从而取消了复杂工艺的高压绝缘套杯结构件，优化了压装结构，同时保证了整个开关装置的光触发晶闸管单元能获取有效的压装力及其他工艺要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于光触发晶闸管的大功率放电开关装置，其特征在于：包括光触发晶闸管单元、静态均压电阻单元、动态均压RC回路单元和开关压装组件单元，光触发晶闸管单元包括7个以上相互串联的光触发晶闸管（6）；静态均压电阻单元和动态均压RC回路单元与光触发晶闸管单元并联连接；动态均压RC回路单元包括吸收电容（9）和动态吸收电阻（12），吸收电容（9）和动态吸收电阻（12）串联连接；开关压装组件单元起固定和连接光触发晶闸管单元、静态均压电阻单元和动态均压RC回路单元的作用；所述的光触发晶闸管单元还包括散热块（7）和光纤（10），散热块（7）紧贴光触发晶闸管（6）安装，光纤（10）的耐高压弯管端压装到光触发晶闸管（6）内，另一端接头连接至由激光二极管构成的脉冲分配板，脉冲分配板将光触发信号由低压控制设备同步传递到每个光触发晶闸管（6）上。

2.根据权利要求1所述的一种基于光触发晶闸管的大功率放电开关装置，其特征在于：所述的静态均压电阻单元包括静态均压电阻（4）和电阻弯管（3），电阻弯管（3）将静态均压电阻（4）并联在相邻的两块低感母线板（5）之间，静态均压电阻（4）采用无感电阻，实现光触发晶闸管（6）的静态均压。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于光触发晶闸管的大功率放电开关装置，其特征在于：所述的动态均压RC回路单元包括电阻弯管（3）、吸收电容（9）、支持绝缘子（11）和动态吸收电阻（12），吸收电容（9）和动态吸收电阻（12）串联连接后并联至光触发晶闸管（6）的正极和负极，动态吸收电阻（12）通过电阻弯管（3）固定在低感母线板（5）上，吸收电容（9）通过支持绝缘子（11）固定在低感母线板（5）上。

4.根据权利要求3所述的一种基于光触发晶闸管的大功率放电开关装置，其特征在于：所述的吸收电容（9）和动态吸收电阻（12）的一个接线端均采用二次高压电缆分别连接到相邻的上下两块低感母线板（5）上，即并联到单个光触发晶闸管（6）的正负极，抑制光触发晶闸管（6）关断时的过压，同时实现动态均压。

5.根据权利要求1、2、4中任一权利要求所述的一种基于光触发晶闸管的大功率放电开关装置，其特征在于：所述的开关压装组件单元包括螺母（1）、压板（2）、螺杆（8）和拉板（13），光触发晶闸管单元、静态均压电阻单元和动态均压RC回路单元固定在螺杆（8）上，同时通过螺母（1）将光触发晶闸管单元、静态均压电阻单元和动态均压RC回路单元压装在两块压板（2）之间，拉板（13）供安装光触发晶闸管单元、静态均压电阻单元和动态均压RC回路单元时使用。

6.根据权利要求5所述的一种基于光触发晶闸管的大功率放电开关装置，其特征在于：所述的螺杆（8）为塑料螺杆。

7.根据权利要求2所述的一种基于光触发晶闸管的大功率放电开关装置，其特征在于：所述静态均压电阻（4）的阻值为光触发晶闸管（6）阻断状态等效阻值的1/4至1/5。

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