CN101976943A - 一种基于电触发晶闸管的大功率放电开关装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结构层次化简单、可靠性高、电气性能好、免维护的基于电触发晶闸管的大功率放电开关装置，包括：模块化晶闸管串联单元、RC吸收回路单元、静态均压单元、触发单元和耦合供电单元，晶闸管串联单元由一个以上的晶闸管串联而成，晶闸管的门极与触发单元相连；静态均压单元包括静态均压电阻，静态均压电阻并联在单个晶闸管的两极；RC吸收回路单元并联在单个晶闸管的两极，RC吸收回路单元包括阻尼电容与动态均压电阻，阻尼电容与动态均压电阻串联构成动态RC吸收回路；触发单元接收控制系统的触发信号，控制晶闸管的导通，同时判断晶闸管状态是否正常，并将反馈状态信号送给控制系统；耦合供电单元为触发单元提供电源。

Description

一种基于电触发晶闸管的大功率放电开关装置

技术领域

本发明涉及一种基于电触发晶闸管的大功率放电开关装置，该装置主要应用于冲击大电流技术等涉及大功率脉冲技术的应用领域。

背景技术

在冲击大电流技术等脉冲功率技术中，放电开关是必不可少的装置。它的作用是将高功率脉冲电源给传输线充电的能量在极短的时间（最短可为纳秒）内以极高的功率密度向负载释放。

传统的气体开关、真空触发开关、固体开关、激光触发开关、磁开关等放电开关装置由于控制响应速度慢、大电流下容易烧损、可靠性和安全性差，严重影响了高脉冲电源的传输效率、脉冲上升时间和工作稳定性，因此很少作为大功率放电开关使用。

本发明是基于普通晶闸管（Electronic Triggered Thyristor，简称ETT）作为开关元件，ETT阀中晶闸管为电触发方式，脉冲首先经光缆传送到与晶闸管等电位的晶闸管电子设备(Thyirstor Electronic，简称TE板)，TE板将脉冲转换成电脉冲并放大其功率，然后再将此强电触发脉冲送到晶闸管门极触发晶闸管。位于高电位的TE板为ETT阀控制保护功能的核心部件，它包括：取能回路、放大器回路、光电转换器件、监视回路和保护回路(实现晶闸管正压超过设计值时的强迫安全导通即BOD保护)。

因此，本发明采用电触发晶闸管作为放电开关元件，涉及半导体器件的压装、传热、固体及流体应力分析、高压绝缘配合等多方面的技术。在技术上不仅满足承受大功率、具有较长寿命、工作稳定可靠的要求，而且具有很小的延迟和抖动时间、重复性好及良好的工作性能的特点，完全保证了脉冲功率技术和脉冲电流试验技术的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构层次化简单、可靠性高、电气性能好、免维护的基于晶闸管元件的大功率放电开关，该装置采用低抖动、高可靠的新型开关技术，是一种具有高效的脉冲大功率传输效率的新型模块化放电开关。

本发明提供一种基于电触发晶闸管的大功率放电开关装置的具体实施方法，一种基于电触发晶闸管的大功率放电开关装置，包括：模块化晶闸管串联单元、RC吸收回路单元、静态均压单元、触发单元和耦合供电单元，模块化晶闸管串联单元由一个以上的晶闸管串联而成，晶闸管的门极与触发单元相连，当需要导通开关时，由控制系统发出触发信号同步触发大功率放电开关装置的晶闸管；静态均压单元包括静态均压电阻，静态均压电阻并联在单个晶闸管的两极，静态均压单元能有效保证各个晶闸管上承受均衡的电压；RC吸收回路单元并联在单个晶闸管的两极，吸收电容与吸收电阻串联构成RC吸收回路单元，抑制电路中因电压瞬变对器件所引起的电流冲击和对电流瞬变时的自感电动势进行钳位；触发单元接收控制系统的触发信号，控制晶闸管的导通，同时判断晶闸管的状态是否正常，并将反馈状态信号送给控制系统；耦合供电单元为触发单元提供电源。

作为本发明进一步的实施方式，静态均压电阻采用弯管母排并联至单个晶闸管的两极，静态均压单元用于减小漏电流特性对分压的影响，同时为触发单元检测晶闸管的状态起分压作用。

作为本发明进一步的实施方式，基于晶闸管的大功率放电开关进一步包括BOD保护单元，BOD保护单元包括BOD二极管，BOD保护单元通过BOD二极管实现过压强触发保护，若触发脉冲信号丢失，则没有被正常触发的晶闸管将承受过高的正向电压，当电压高于BOD的预设值时紧急触发晶闸管，保护晶闸管免于被击穿。

作为本发明进一步的实施方式，基于晶闸管的大功率放电开关进一步包括压装组件单元，压装组件单元包括侧板、压装部件、高压套杯、环氧布管和压板以及双头螺杆，环氧布管套在螺杆的外部，压装组件采用上下两块压板和四根螺杆组成基本骨架并固定在两块侧板之间，在组合模块化晶闸管串联单元和静态均压单元后，经高压套杯和压装部件压装后，保证晶闸管有效的压紧和导通。

作为本发明进一步的实施方式，基于晶闸管的大功率放电开关进一步包括母排单元，母排单元包括进出线母排、紫铜板母排和弯管母排，紫铜板母排连接和定位相邻的两个晶闸管，同时作为散热器，增强晶闸管的自然冷却面积；进出线母排作为电缆进出引线，与外接主电路相连。

作为本发明进一步的实施方式，耦合供电单元包括电流互感器和取能板，大电流电源变压器，限流互感器，大电流电源变压器和限流互感器以耦合隔离供电方式为触发单元提供电源，实现高低压隔离；电流互感器及取能板采集大功率放电开关装置的电流大小，提供控制系统和触发单元的测量和保护。

作为本发明进一步的实施方式，触发单元的触发板接收来自控制系统的光触发信号，经过光接收回路和逻辑处理，脉冲输出盒将脉冲放大后生成触发电信号，实现晶闸管的导通；同时判断晶闸管的状态是否正常，通过逻辑判断单元和光发送回路，反馈状态信号送给控制系统。

作为本发明进一步的实施方式，静态均压单元保证晶闸管承受的静态均压一致，同时与触发单元的触发回路的信号做“与”处理，保证晶闸管在正常的状态下被触发信号触发。

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

（1）采用模块化晶闸管串联作为高压脉冲功率放电开关，ETT阀结构紧凑，布局更加优化合理，外观简洁精美；此外，晶闸管串联结构的模块化设计，可实现装配出不同电压等级的开关，减少零件种类。

（2）装置有效的解决了高低压隔离问题，控制单元和触发单元采用光电隔离，不易受到电磁干扰，同时结合触发电路板和BOD板控制系统，保证了整个装置的可靠性。

（3）设计了简便的碟簧压装自锁机构，能有效的保证大功率晶闸管的压紧力；同时采用优质的高压凹槽型绝缘环氧布板套杯，有效地隔离了第一个晶闸管与最后一个晶闸管，解决爬电距离问题。

（4）采用低压耦合方式供电，简单安全，降低了系统的复杂性。

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是本发明一种基于电触发晶闸管的大功率放电开关装置的电路结构原理图；

图2是本发明一种基于电触发晶闸管的大功率放电开关装置的控制结构框图；

图3是本发明一种基于电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4是本发明一种基于电触发晶闸管的大功率放电开关装置的结构示意图一-俯视图；

图5是本发明一种基于电触发晶闸管的大功率放电开关装置的结构示意图一-仰视图；

图6是本发明一种基于电触发晶闸管的大功率放电开关装置的结构示意图一-左视图；

其中，1-侧板，2-压装部件，3-绝缘套杯，4-环氧布管，5-电阻弯管，6-晶闸管，7-低感母排，8-压板，9-脉冲输出盒，10-触发板，11-BOD板，12-电流互感器和取能板，13-大电流电源变压器，14-限流互感器，15-进出线母排，16-吸收电容，17-静态均压电阻，18-紫铜板母排，19-弯管母排，20-吸收电阻，21-模块化晶闸管串联单元，22-RC吸收回路单元，23-静态均压单元，24-触发单元，25-耦合供电单元，26-BOD保护单元,27-螺杆。

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电触发晶闸管的大功率放电开关装置的具体实施方式，下面结合附图1至6对本发明做进一步的说明：

如图3至图6的结构示意图所示，基于电触发晶闸管的大功率放电开关装置，采用串联模块化晶闸管设计，分层卧式结构。如图3的主视图所示，位于放电开关装置的下层结构为实现动态均压功能的RC吸收回路单元22、中层采用模块化晶闸管串联单元21和静态均压电阻单元23、上层包括耦合供电单元25，耦合供电单元25包括电流互感器和取能板12，大电流电源变压器13，限流互感器14，以及由放大器回路单元、光电转换器件单元、监视回路和保护回路单元（BOD保护，Break Over Diode，击穿二极管）组成的控制组件，整个装置采用左右绝缘环氧布板的两块侧板1作为组织架构和支撑。

下层的RC吸收回路单元22包括实现动态均压的吸收电阻20和实现阻尼功能的吸收电容16。吸收电容16与吸收电阻20串联构成RC吸收回路单元22的RC吸收回路，起抑制电路中因dv/dt对器件所引起的瞬时电流冲击和对电流瞬变时自感电动势进行钳位作用；由于晶闸管动作时间不一样（包括开通时间和关断时间），为了保护后开通的晶闸管，RC吸收回路单元22的动态均压RC回路起有效的均压措施来保证晶闸管的安全。RC吸收回路单元22经电缆槽并联至模块化晶闸管串联单元21。

中层的模块化晶闸管串联单元21主要包括晶闸管6、静态均压电阻17、压装组件单元，压装组件单元包括压装部件2、绝缘套杯3、环氧布板4、螺杆27和压板8。其中，压装部件2采用碟簧，绝缘套杯3采用高压绝缘套杯，螺杆27采用双头螺杆，环氧布板4包裹在螺杆27的外部形成环氧布板型绝缘套管。装置的中层结构还包括相关母排，包括进出线母排15、紫铜板母排18和弯管母排19等。模块化晶闸管串联单元21由选择特性相近似的N个晶闸管串联而成，这将保证晶闸管的均压和安全；静态均压单元23包括静态均压电阻17，静态均压电阻17采用弯管母排19并联至单个晶闸管6的两极，由于单个晶闸管的漏电流特性不一样，在模块化晶闸管串联单元21流过同一漏电流必然导致各个晶闸管的分压不均衡，静态均压电阻单元能有效的保证各个晶闸管上承受的电压基本相同，减小漏电流特性对分压的影响，同时为触发单元24检测晶闸管6的状态起分压作用；紫铜板母排18一方面连接和定位相临的两个晶闸管，另一方面作为散热器，增强半导体元件晶闸管的自然冷却面积；压装组件单元采用上下两个压板8和四根双头螺杆组成基本骨架，组合好模块化晶闸管串联单元21和静态均压单元23之后，经高压绝缘套杯和碟簧的自锁装置压装，保证N个晶闸管有效的压紧和导通；进出线母排15作为电缆进出引线，便于与外接一次主电路相连接。

上层结构主要包括大电流电源变压器13、限流互感器14、电流互感器及取能板12、触发板10、 BOD板11及脉冲输出盒9，实现放电开关装置的取能、电路放大、光电转换、监视和BOD保护等功能。触发单元24的触发板10接收来自控制系统的光触发信号，经过光接收回路和逻辑处理，脉冲输出盒9将脉冲放大后生成触发电信号，实现晶闸管6的导通；同时判断晶闸管6的状态是否正常，通过逻辑判断单元和光发送回路，将反馈状态信号送给控制系统。耦合供电单元25的大电流电源变压器13、限流互感器14采用耦合隔离供电方式为触发单元24提供电源，实现高低压隔离；电流互感器及取能板12采集整套放电开关装置的电流大小，提供控制系统和触发单元的测量和保护。BOD保护单元11采用BOD二极管实现过压强触发保护，若触发脉冲信号丢失，没有被正常触发的晶闸管将承受过高的正向电压，当电压高于BOD的预设值时紧急触发晶闸管，从而保护晶闸管免于击穿。

本发明的放电开关装置通过晶闸管6的门极与触发单元24的触发板10相连，当需要导通开关时，由控制系统发出触发信号经低压电缆同步触发放电开关的所有晶闸管元件。

图1给出了本发明的一种具体实施方案的电路原理框图，现结合附图对本发明作更进一步的描述。

如附图1所示，本发明由N个晶闸管组件串联组成。功率脉冲电源正端在串联了负载后加在本发明的进线端，负端加在本发明的出线端，适时触发所有晶闸管组件，即完成对功率脉冲电源的能量释放。

本发明的控制结构框图如图2所示，基于电触发晶闸管的大功率放电开关装置主要包括以下部分：模块化晶闸管串联单元21、RC吸收回路单元22、静态均压单元23、触发单元24、耦合供电单元25和BOD保护单元26。

其中，模块化晶闸管串联单元21采用南车时代集团的晶闸管KPD3900-65，其可重复峰值电压为6500V，额定电流3900A，在本系统中N个串联具有很大的裕量，保证了系统运行的高可靠性。RC吸收回路单元22的功能是吸收晶闸管6在关断瞬间产生的过电压。静态均压单元23的功能为保证晶闸管静态均压一致，同时起到与触发回路24的信号做“与”处理，保证晶闸管在正常的状态下才能被触发信号触发的作用。触发单元24接收控制系统的光触发信号，经过光接收回路，逻辑处理单元，脉冲放大单元后生成触发信号，实现晶闸管6的导通；同时判断晶闸管的状态是否正常，通过逻辑判断单元和光发送回路，反馈状态信号送给控制系统。耦合供电单元25采用耦合隔离供电方式为触发单元提供电源，实现高低压隔离。BOD保护单元26采用BOD二极管实现过压强触发保护，通过一个二极管和BOD串联集成，若触发脉冲信号丢失，没有被正常触发的晶闸管将承受过高的正向电压，当电压高于BOD的预设值时紧急触发晶闸管，从而保护晶闸管免于击穿。

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 (8)

1.一种基于电触发晶闸管的大功率放电开关装置，其特征在于：包括模块化晶闸管串联单元（21）、RC吸收回路单元（22）、静态均压单元（23）、触发单元（24）和耦合供电单元（25），模块化晶闸管串联单元（21）由一个以上的晶闸管（6）串联而成，晶闸管（6）的门极与触发单元（24）相连，当需要导通开关时，由控制系统发出触发信号同步触发大功率放电开关装置的晶闸管；静态均压单元（23）包括静态均压电阻（17），静态均压电阻（17）并联在单个晶闸管（6）的两极，静态均压单元（23）能有效保证各个晶闸管（6）上承受均衡的电压；RC吸收回路单元（22）并联在单个晶闸管（6）的两极，吸收电容（16）与吸收电阻（20）串联构成RC吸收回路单元（22），抑制电路中因电压瞬变对器件所引起的电流冲击和对电流瞬变时的自感电动势进行钳位；触发单元（24）接收控制系统的触发信号，控制晶闸管（6）的导通，同时判断晶闸管（6）的状态是否正常，并将反馈状态信号送给控制系统；耦合供电单元（25）为触发单元（24）提供电源。

2.根据权利要求1所述的一种基于电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（17）采用弯管母排（19）并联至单个晶闸管（6）的两极，静态均压单元（23）用于减小漏电流特性对分压的影响，同时为触发单元（24）检测晶闸管（6）的状态起分压作用。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于电触发晶闸管的大功率放电开关装置，其特征在于：所述基于晶闸管的大功率放电开关包括BOD保护单元（26），BOD保护单元（26）包括BOD二极管，BOD保护单元（26）通过BOD二极管实现过压强触发保护，若触发脉冲信号丢失，则没有被正常触发的晶闸管（6）将承受过高的正向电压，当电压高于BOD的预设值时紧急触发晶闸管（6），保护晶闸管（6）免于被击穿。

4.根据权利要求3所述的一种基于电触发晶闸管的大功率放电开关装置，其特征在于：所述基于晶闸管的大功率放电开关包括压装组件单元，所述的压装组件单元包括侧板（1）、压装部件（2）、高压套杯（3）、环氧布管（4）和压板（8）以及双头螺杆（27），环氧布管（4）套在螺杆（8）的外部，压装组件采用上下两块压板（8）和四根螺杆（8）组成基本骨架并固定在两块侧板（1）之间，在组合模块化晶闸管串联单元（21）和静态均压单元（23）后，经高压套杯（3）和压装部件（2）压装后，保证晶闸管（6）有效的压紧和导通。

5.根据权利要求1或2或4所述的一种基于电触发晶闸管的大功率放电开关装置，其特征在于：所述基于晶闸管的大功率放电开关包括母排单元，所述的母排单元包括进出线母排（15）、紫铜板母排（18）和弯管母排（19），紫铜板母排（18）连接和定位相邻的两个晶闸管，同时作为散热器，增强晶闸管的自然冷却面积；进出线母排（15）作为电缆进出引线，与外接主电路相连；弯管母排（19）起静态均压电阻两端的连接作用。

6.根据权利要求5所述的一种基于电触发晶闸管的大功率放电开关装置，其特征在于：所述耦合供电单元（25）包括电流互感器和取能板（12），大电流电源变压器（13），限流互感器（14），大电流电源变压器（13）和限流互感器（14）以耦合隔离供电方式为触发单元（24）提供电源，实现高低压隔离；电流互感器及取能板（12）采集大功率放电开关装置的电流大小，提供控制系统和触发单元的测量和保护。

7.根据权利要求6所述的一种基于电触发晶闸管的大功率放电开关装置，其特征在于：所述触发单元（24）的触发板（10）接收来自控制系统的光触发信号，经过光接收回路和逻辑处理，脉冲输出盒（9）将脉冲放大后生成触发电信号，实现晶闸管(6)的导通；同时判断晶闸管（6）的状态是否正常，通过逻辑判断单元和光发送回路，反馈状态信号送给控制系统。

8.根据权利要求1、2、4、6、7中任一权利要求所述的一种基于电触发晶闸管的大功率放电开关装置，其特征在于：所述静态均压单元（23）保证晶闸管（6）承受的静态均压一致，同时与触发单元（24）的触发回路的信号做“与”处理，保证晶闸管（6）在正常的状态下被触发信号触发。

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