CN104772209B - 一种用于多晶硅破碎装置的光控单脉冲触发系统 - Google Patents

Abstract

一种用于多晶硅破碎装置的光控单脉冲触发系统，其光脉冲信号发生器(1)输出单脉冲光信号，触发电脉冲触发信号产生系统(13)的可控硅产生空气开关所需的高压单脉冲触发信号。市电交流电源(4)通过全桥整流器(5)整流，输出直流电压，经充电电阻(6)向电解电容(7)充电，触发光脉冲信号发生器(1)输出单脉冲光信号，经光电转换电路(2)转化为单脉冲电信号，进入增强驱动电路(3)放大为可控硅(8)触发信号，送入可控硅(8)的触发极，使脉冲变压器(9)原边得到低压脉冲触发信号，经脉冲变压器(9)升为高压脉冲触发信号用于触发空气开关。

Description

一种用于多晶硅破碎装置的光控单脉冲触发系统

技术领域

本发明涉及一种光控单脉冲触发系统，特别涉及一种用于多晶硅破碎装置中三电极空气开关的光控单脉冲触发系统。

背景技术

当前，多晶硅材料是生产太阳能电池的最主要的材料。从还原炉成形完成的多晶硅棒首先要进行破碎，然而国内外现有的多晶硅棒破碎技术多采用人工敲击和机械破碎，由于多晶硅硬度大，且在破碎的过程中不能被污染，所以机械破碎造成了劳动强度大、噪音大，易造成粉尘和金属污染。

基于液电效应的高压脉冲多晶硅破碎装置，可以大大降低工作人员劳动量，提高劳动效率，实现多晶硅均匀破碎，减少粉末和金属污染，噪声小，提高多晶硅品质，具有良好的市场应用前景。多晶硅破碎装置的电路结构如图1所示，其中充电系统的高压输出端通过高压充电线连接储能电容的正极，充电系统的低压输出端连接储能电容的负极，储能电容的正极与空气开关的正极连接，空气开关的负极与放电电极的正极连接，放电电极的负极与储能电容的负极连接。空气开关是整个破碎装置的核心器件，它每一次可靠开通才能使多晶硅破碎装置完成一次破碎工作，因此多晶硅破碎装置的空气开关的触发系统必须安全可靠。目前常用的多晶硅破碎装置中采用的是三电极空气开关，其触发系统电路结构如图2所示。

如图1所示，充电系统的控制电路与空气开关的触发电路融合在一套控制系统中。空气开关触发系统与充电系统都是通过电信号与控制系统直连，这将会造成充放电系统的相互电磁干扰。在充电系统为储能单元充电过程中产生的电磁干扰可能造成高压开关误触发，使得储能电容未达到预定电压就发生脉冲放电，会造成实验失败或者对操作人员的安全构成威胁。单次运行时一般都是手动触发按钮开关来得到触发信号。如图2所示，市电交流电源通过二极管半波整流后经过充电电阻向电解电容充电，充电速度慢，效率低。华中科技大学南敬在其论文“沿面击穿型高压开关触发系统的设计与研究”中使用此电路设计了高压气体开关的触发系统，另外新特能源股份有限公司的发明专利CN102836765B“一种破碎多晶硅的方法及其装置”中也是采用此电路。此电路缺点是手动触发时抖动大，击穿延时时间较长，触发脉冲宽度较长，半波整流充电时间慢，容易出现误触发，安全性低。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的缺点，为多晶硅破碎装置提供一种效率高、可靠性高、安全系数高的三电极空气开关的单脉冲触发系统。

本发明为空气开关的单脉冲触发系统，包括光脉冲信号发生器和电脉冲触发信号产生系统。所述的电脉冲触发信号产生系统包括光电转换电路、增强驱动电路、全桥整流器、充电电阻、电解电容、可控硅和脉冲变压器。光脉冲信号发生器和电脉冲触发信号产生系统通过一根通信光纤连接，此通信光纤的一端接入光脉冲信号发生器的光纤法兰接口处，另一端接入电脉冲触发信号产生系统的法兰接口。光脉冲信号发生器输出5V、脉冲宽度为30us的单脉冲光信号用来触发电脉冲触发信号产生系统中的可控硅的开通，电脉冲触发信号产生系统产生空气开关所需的高压单脉冲触发信号。

所述的电脉冲触发信号产生系统中各器件连接方式如下：市电交流电源的火线、零线输出端分别连接全桥整流器的两个输入端，无方向之分。全桥整流器的高压输出端通过充电电阻与电解电容的正极相连接，全桥整流器的负极与电解电容的负极相连。电解电容的正极与可控硅的正极相连接。可控硅的负极与脉冲变压器原边的一端相连接，电解电容的负极与脉冲变压器原边的另一端相连。光电转换电路的信号输出端与增强驱动电路信号输入端相连接。增强驱动电路信号输出端正极接入可控硅的门极，输出端负极接入可控硅的负极。

本发明的工作过程如下：市电交流电源通过全桥整流器整流后输出直流电，直流电经过充电电阻向电解电容充电，直至电压稳定在300V左右。待电解电容电压稳定后，触发光脉冲信号发生器后发生器输出5V、脉冲宽度为30us的单脉冲光信号，该单脉冲光信号通过通信光纤进入电脉冲触发信号产生系统的光电转换系统，转换为幅值5V，脉冲宽度为30us的单脉冲电信号。5V单脉冲电信号通过电信号导线进入信号增强驱动电路后功率放大，信号增强为低电平为-8V，高电平为15V，脉冲宽度为30us的可控硅触发信号。此信号触发可控硅后使得脉冲变压器原边得到幅值为300V的单脉冲低压触发信号。此单脉冲低压信号经过脉冲变压器升压后变为单脉冲高压触发信号，用于触发高压空气开关。

本发明的优点在于采用光纤传输触发信号，将充电系统的控制电路与空气开关的触发系统物理隔开。在进行多晶硅破碎实验时高压空气开关不会因受到充电系统的电磁干扰影响而产生误触发现象，保证高压气体开关的可靠触发。同时本发明做到了将操作人员与高压试验设备完全物理隔离，保证了人身安全。

附图说明

图1为传统多晶硅破碎装置的电路结构示意图；

图2为传统多晶硅破碎装置中单次脉冲触发电路的原理图；

图3为本发明原理框图，图中：1光脉冲信号发生器，2光电转换电路，3增强驱动电路，4市电交流电源，5全桥整流器，6充电电阻，7电解电容，8可控硅，9脉冲变压器，10通信光纤，11电信号导线，12同轴电缆线；

图4为采用本发明的多晶硅破碎装置的电路结构示意图。图中：14控制系统，15充电系统，16储能电容，17空气开关，18放电电极；

图5为高压脉冲触发信号波形。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明具体实施例为应用于一种工作电压为18kV的多晶硅破碎装置。

如图3所示，本发明包括光脉冲信号发生器1和电脉冲触发信号产生系统13。所述的电脉冲触发信号产生系统13包括光电转换电路2、增强驱动电路3、全桥整流器5、充电电阻6、电解电容7、可控硅8、以及脉冲变压器9。

光脉冲信号发生器1和电脉冲触发信号产生系统13通过一根通信光纤10连接。此通信光纤10的一端接入光脉冲信号发生器1的光纤法兰接口处，另一端接入电脉冲触发信号产生系统13的法兰接口。光脉冲信号发生器1输出5V、脉冲宽度为30us的单脉冲光信号用来触发电脉冲触发信号产生系统13中的可控硅8的开通，电脉冲触发信号产生系统13产生空气开关所需的高压单脉冲触发信号。

所述的电脉冲触发信号产生系统中各器件连接方式如下：市电交流电源4的1.5m²火线、零线输出端分别全桥整流器5的两个输入端连接，无方向之分。全桥整流器5的高压输出端通过充电电阻6与30uF的电解电容7的正极相连接，全桥整流器5的负极与电解电容7的负极相连。电解电容7的正极与可控硅8的正极相连接。可控硅8的负极与脉冲变压器9原边一端相连接，电解电容7负极与脉冲变压器9原边另一端相连。光电转换电路2的信号输出端与增强驱动电路3信号输入端相连接。增强驱动电路3通过同轴电缆线12与可控硅相连接。增强驱动电路3输出端正极接入可控硅8的门极，输出端负极接入可控硅8的负极。其中脉冲变压器选用变比为300:25kV。

加入本发明后多晶硅破碎装置电路结构图如图4所示，充电系统15的高压输出端通过高压充电线连接储能电容16的正极，充电系统15的低压输出端连接储能电容16的负极，储能电容16的正极与空气开关17的正极连接，空气开关17的负极与放电电极18的正极连接，放电电极18的负极与储能电容17的负极连接。多晶硅破碎装置工作时，首先通过操作控制系统14启动充电系统15通过高压线向储能电容16充电至18kV后停止，然后触发本发明光信号脉冲发生器1触发按钮，此时光信号脉冲发生器1发出一个5V的单脉冲光信号，单脉冲光信号进入电脉冲触发信号产生系统13的光电转换系统2后转化为幅值5V，脉冲宽度为30us的单脉冲电信号，该单脉冲电信号被送入增强驱动电路3后功率增强，且信号变为低电平-8V高电平为15V的单脉冲电信号。此单脉冲电信号用于触发可控硅8开通，从而脉冲变压器9原边可得到幅值为300V的单脉冲低压触发信号。单脉冲低压信号经过变比300:25kV的脉冲变压器升压后，变为25kV的单脉冲高压触发信号，此单脉冲高压触发信号用来触发空气开关17的开通。储能电容16中18kV电压的储能在空气开关17开通后在放电电极18处得到释放，能量瞬间释放产生强大的冲击波对多晶硅造成破碎。图5为变比300:25kV时的脉冲变压器所测试的触发信号，其副边信号上升沿是0.03ms，电压幅值为26kV。高压开关17一经开通，多晶硅破碎装置就完成了一次破碎实验。

本发明采用光脉冲信号发生器通过通信光纤传输信号，大大减少了整个多晶硅破碎系统中充电电路的电磁干扰对空气开关误触发的影响，保证了系统的可靠性；同时光纤传输使得操作人员与高压系统远距离的隔离，保证了人身安全。本发明能够产生脉冲宽度固定的单脉冲触发信号，避免了手动触发给高压开关带来的抖动。同时在低压脉冲形成电路中采用全桥整流模式，增大了平均充电电流，缩短了充电时间。

Claims (1)

1.一种用于多晶硅破碎装置的光控单脉冲触发系统，所述的光控单脉冲触发系统包括光脉冲信号发生器(1)和电脉冲触发信号产生系统(13)；所述的光脉冲信号发生器(1)和电脉冲触发信号产生系统(13)通过一根通信光纤(10)连接；所述的光脉冲信号发生器(1)输出单脉冲光信号，单脉冲光信号触发电脉冲触发信号产生系统(13)中的可控硅产生空气开关所需的高压单脉冲触发信号，

其特征在于：所述的电脉冲触发信号产生系统(13)包括光电转换电路(2)、增强驱动电路(3)、全桥整流器(5)、充电电阻(6)、电解电容(7)、可控硅(8)和脉冲变压器(9)；市电交流电源(4)的输出端分别连接全桥整流器(5)的两个输入端；全桥整流器(5)的高压输出端通过充电电阻(6)与电解电容(7)的正极连接，全桥整流器(5)的负极与电解电容(7)的负极相连；电解电容(7)的正极与可控硅(8)的正极连接，可控硅(8)的负极与脉冲变压器(9)原边的一端连接，电解电容(7)的负极与脉冲变压器(9)原边的另一端相连；光电转换电路(2)的信号输出端与增强驱动电路(3)的信号输入端相连接；增强驱动电路(3)通过同轴电缆线(12)与可控硅(8)连接，增强驱动电路(3)的输出端正极接入可控硅(8)的门极，增强驱动电路(3)的输出端负极接入可控硅(8)的负极。