CN105702671A - 一种模块化脉冲晶闸管的压装结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化脉冲晶闸管的压装结构，包括上压装盘、下压装盘、上引出线盘、下引出线盘、压装螺栓、缓冲元件、绝缘拉杆、保护电路模块、触发电路模块、线缆端子接入螺孔和外保护罩；在上压装盘与所述上引出线盘之间、所述下压装盘与所述下引出线盘之间均安装有缓冲元件。上、下压装盘之间压装有一系列串、并联在一起的单个晶闸管可控硅开关，压装力依赖上、下压装盘之间的若干根棒型绝缘拉杆的拉紧来实现，上、下压装盘上有固定棒型绝缘拉杆的螺柱或内螺纹孔，螺柱或内螺纹孔均匀分布在压装盘上，呈对称布局。

Description

一种模块化脉冲晶闸管的压装结构

技术领域

本发明属于本发明属于高电压电工电器技术和脉冲功率技术领域，更具体地，涉及一种模块化脉冲晶闸管的压装结构。

背景技术

脉冲功率技术是指将较长时间内存储起来的具有较高密度的能量，进行快速压缩、转换或直接以很短的时间释放能量给负载的电物理技术。开关器件在脉冲功率系统中占有特殊的地位，将储能传输给负载的能力的任何进展，都是以成功地设计和研制各种各样的脉冲大电流开关为前提的。

在强激光装置、强磁场装置、高功率微波等电容储能型脉冲功率技术的应用场合，对开关的要求主要是能耐受高电压、强电流、击穿时延短而分散性小、电感和电阻小、寿命长，单次触发导通的转移电荷量大、可靠性高。

高压大电流领域的脉冲开关主要有间隙类开关和固体半导体开关两大类。间隙开关(气体开关、真空开关等)导通会在其间隙结构中产生强烈的电弧，在通过大电流时，触发极烧蚀会非常严重，需要经常维护，开关的可靠使用寿命十分有限。相比之下，固体半导体开关无电弧燃烧，触发系统电压低、干扰小，在参数范围内使用几乎需要维护，寿命很长。但固体半导体开关单个元件的耐压和通流能力有限，高压大电流应用时必须采用多元件串联或并联，以及串、并联结构同时使用从而构成开关组件的方式来运行使用。例如，系统对脉冲开关的要求是工作电压25kV，工作峰值电流500kA，如果使用单个元件耐压5kV、峰值通流能力300kA的晶闸管可控硅，就至少需要6个元件串联、2路并联，共12只单个元件组成晶闸管组件开关。

值得注意的是，数百kA的大电流脉冲有显著的电动力效应，这个电动力通过连接在开关上的电缆、母线或其他刚性结构件，作用在开关的轴向和法向方向的瞬时力可以达到数十乃至数百千牛(kN)，相当于数吨重的锤击或牵扯冲击力。而目前，大电流脉冲半导体开关组件的压装结构设计很少考虑冲击电动应力，往往还在采用开关高、低压极单边集中式引出线的布局方式，这种方式虽然容易在开关一侧集中布置触发电路、均压保护、隔离保护等电路和电气元件，但引出线端却因为集中在一侧，造成电动应力冲击来临时开关各点受力和力矩不平衡，容易造成开关结构的破坏和疲劳损害。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种模块化脉冲晶闸管的压装结构，旨在解决现有技术中采用开关高、低压极单边集中式引出线的布局方式，由于引出线端集中在一侧，导致电动应力冲击来临时开关各点受力和力矩不平衡，容易造成开关结构的破坏和疲劳损害的问题。

本发明提供了一种模块化脉冲晶闸管的压装结构，包括上压装盘、下压装盘、上引出线盘、下引出线盘、压装螺栓、缓冲元件、绝缘拉杆、保护电路模块、触发电路模块、线缆端子接入螺孔和外保护罩；在所述上压装盘与所述上引出线盘之间、所述下压装盘与所述下引出线盘之间均安装有所述缓冲元件；所述上压装盘和所述下压装盘通过所述绝缘拉杆连接，所述压装螺栓贯通于所述绝缘拉杆中，用于拉紧所述绝缘拉杆，所述线缆端子接入螺孔对称布置在所述上压装盘和所述下压装盘上；压装时，晶闸管可控硅元件被压装在所述上压装盘和所述下压装盘之间，所述保护电路模块和所述触发电路模块呈双螺旋线型分布在晶闸管可控硅元件外围；所述外保护罩包裹在整个结构主体外。

由于上、下压装盘之间压装有一系列串、并联在一起的单个晶闸管可控硅开关，压装力依赖上、下压装盘之间的若干根棒型绝缘拉杆的拉紧来实现，上、下压装盘上有固定棒型绝缘拉杆的螺柱或内螺纹孔，螺柱或内螺纹孔均匀分布在压装盘上，呈对称布局。

更进一步地，所述缓冲元件为垫装弹簧或者碟簧。

更进一步地，所述压装螺栓的个数与所述绝缘拉杆数相等。

更进一步地，所述绝缘拉杆的数量m是绝缘拉杆数，I_p是通过整个开关组件的脉冲电流峰值，单位kA，F_x是单根绝缘拉杆轴向拉力耐受值，单位kN，为上取整符号。

更进一步地，所述触发电路模块和所述保护电路模块都采用螺旋线形布局。

更进一步地，所述触发电路模块的布局螺旋线和所述保护电路模块的布局螺旋线的起点在轴向投影平面圆周上相距180度。

更进一步地，按串联晶闸管的轴向投影视角，呈螺旋线形布局的两个相邻模块的位置夹角度，N是串联晶闸管阀片的总数。

由于本发明的压装结构采用中心轴线对称的布局以及触发、保护模块的螺旋线分布，能在满足晶闸管压装需求的同时，有效地平衡大电流通过开关时的冲击电动应力。此外，由于采用模块化设计，使其便于串并联扩展，对于不同工况下的晶闸管可控硅开关元件有十分广泛的适用性。另一方面，其结构紧凑、易于维护的特点，有利于晶闸管可控硅开关稳定、可靠地运行。

附图说明

图1是本发明所涉及的大电流脉冲晶闸管压装结构主视图，采用的是单串组件。

图2是本发明所涉及的大电流脉冲晶闸管压装结构俯视图。

图3是包含两串联组件再并联的脉冲晶闸管压装结构示意图。

图4是包含两串联组件再并联的脉冲晶闸管压装结构俯视图。

图1及图2中：1是上压装盘，2是下压装盘，3是上引出线盘，4是下引出线盘，5是压装螺栓，6是垫装碟簧(弹簧)，7是晶闸管可控硅元件，8是绝缘拉杆，9是保护电路模块，10是触发电路模块，11是线缆端子接入螺孔，12是外保护罩。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所涉及的一种适宜于在大电流脉冲作用下的模块化脉冲晶闸管(可控硅)开关的压装结构，并对其晶闸管可控硅元件的压接方式、辅助和保护电路元件的排布做出了相应的新式设计。

本发明提出一种脉冲晶闸管(可控硅)开关的压装结构。该结构适宜于多个晶闸管可控硅元件串、并联组合实现高脉冲峰值电流、大功率能量转移的应用场合。

本发明提出，所有晶闸管(可控硅)开关的压装均采用圆盘型压装结构。整体结构的上、下两端为压装盘，用于机械压装，可以采用金属导体或绝缘体制作。上、下压装盘之间压装有一系列串、并联在一起的单个晶闸管可控硅开关，压装力依赖上、下压装盘之间的若干根棒型绝缘拉杆的拉紧来实现，上、下压装盘上有固定棒型绝缘拉杆的螺柱或内螺纹孔，这些螺柱或内螺纹孔应该均匀分布在压装盘上，呈对称布局。

本发明提出，绝缘拉杆材料采用高强度材料，比如引拔棒、PPS棒材或者PEEK等棒材，拉杆数量依据(公式II)计算：

……(公式II)

式中，m是绝缘拉杆数，I_p是通过整个开关组件的脉冲电流峰值，单位kA，F_x是单根绝缘拉杆轴向拉力耐受值，单位kN(千牛)，根据实际情况取值，为上取整符号，例如，因此，如果开关设计通流能力300kA，单根绝缘拉杆轴向拉力耐受值为20kN，则拉杆数量应不少于3根，实际使用4根对称布置即可。

本发明推荐单根绝缘拉杆的轴向拉力耐受值不低于10kN，法向剪切力耐受值不低于3kN。

本发明中，接下来是上、下两端的引出线盘，直接用于压装一系列的晶闸管可控硅开关组件，且可用于引出电缆线。引出线盘为导电金属板制作。

本发明提出，绝缘拉杆拉紧整个开关结构体的时候，上、下引出线盘和相邻的晶闸管可控硅开关之间可以垫加短的弹簧或碟簧，用于减轻大电流直接作用晶闸管可控硅开关串联组件上的冲击应力。

上、下引出线盘周边均匀分布线缆端子接入螺柱或内螺纹孔，呈对称布局。满足对称布局的要领是，相邻螺柱或内螺纹孔的机械加工中心点与引出线盘机械加工中心点与之间构成的夹角θ满足(公式I)：……(公式I)；n是引出线盘上应引出的线缆数量。

举例来说，如果需要引出12根电缆连线，则相邻螺柱或内螺纹孔芯点与引出线盘中心点与之间构成的夹角为30度。上、下两端为引出线盘形状相同，整个晶闸管可控硅开关组件的布局是采用轴线对称的，其沿着中心轴线的垂直投影图形是不具有明显角度的圆滑形状轮廓线，这个可以是圆形，也可以是椭圆形，或者其它组合图形样式。

每个晶闸管可控硅开关元件还应配备有相应的触发电路。在本行业公知的触发技术中，多元件构成的串、并联晶闸管开关组件一般采用间接光触发方式，即利用光纤通信的方法，将触发电脉冲信号转化为光脉冲信号，经处理后耦合到光电接受回路，把光信号转化为电信号。本发明中每个晶闸管可控硅元件配备一个独立的触发电路模块。控制信号由一路光纤母线引入后通过分光器引入到各个触发电路模块，实现多个晶闸管可控硅元件的同时启动导通。

每个晶闸管可控硅元件还应配备有相应的保护电路。保护电路用于防止在串联使用时，由于各个晶闸管元件的静态伏安特性和动态参数不同，可能造成各元件电压分配不均匀而导致损坏的事故。保护电路包括静态分压保护、开通过电压保护、关断过电压保护。可以依据在本行业公知的保护技术实现。本发明中每个晶闸管可控硅开关元件配备一个独立的保护电路模块。

本发明提出，为平衡大电流通过开关时的冲击电动应力对应的力矩，触发电路模块和保护电路模块都采用螺旋线形布局，且触发电路模块的布局螺旋线和保护电路模块的布局螺旋线的起点在轴向投影平面圆周上相距180度。以触发电路模块的布局螺旋线为例，按串联晶闸管的轴向投影视角，相邻两个模块的位置夹角α满足(公式III)：

……(公式III)；N是串联晶闸管阀片的总数。举例来说，如果整个开关由10片晶闸管阀片串联，则相邻两个触发电路模块之间夹角36度，从上而下交错布置在晶闸管元件外侧，而不是像惯常布局一样，从上而下垂直对齐布置。由此，触发电路模块和保护电路模块呈双螺旋线形分布在串联晶闸管组件之外。

另行说明，本发明中提及的单个晶闸管可控硅开关元件，可以是一片可控硅晶片构成的单体，也可以是若干可控硅单体晶片构成的阀组。

使用本发明提出的半导体晶闸管压装结构，可以防止大电流脉冲造成的瞬时电动冲击应力对开关组件结构的破坏，平衡开关各点受力和力矩，减轻应力疲劳损害，同时方便线缆在开关高、低压极的连接，适合于对称布局的脉冲电源系统安装和调试。

下面结合图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明提出的脉冲晶闸管压装结构为中心轴线对称布局，图中给出了压装装置以及晶闸管可控硅元件。7是晶闸管可控硅元件，压装结构包括上压装盘1和下压装盘2、上引出线盘3和下引出线盘4，以及压装螺栓5，垫装碟簧(弹簧)6，绝缘拉杆8，保护电路模块9，触发电路模块10，线缆端子接入螺孔11，还有外保护罩12。

上压装盘1与上引出线盘3之间、下压装盘2与下引出线盘4之间均安装垫装碟簧6(或垫装弹簧6)，起到机械缓冲的作用。图1中，上、下压装盘各用8个压装螺栓5(压装螺栓的个数与绝缘拉杆数相等)，拉紧了贯通于整个组件的8根绝缘拉杆8，拉杆数量的选取依据公式II。图1中，一共画出了12只串联在一起的晶闸管可控硅元件7，假设每个元件工作电压是5kV，那么图1中这套开关组件工作电压可达60kV，考虑耐压裕度，用于30kV～50kV的脉冲电源或类似设备中应无问题。

图1中，保护电路模块9(包括静态分压保护、开通过电压保护、关断过电压保护)和触发电路模块10(例如光纤通信的间接光触发)呈双螺旋线形分布在串联的12只晶闸管可控硅元件7外围。依据一只晶闸管可控硅元件7对应安装一只保护电路模块9和一只触发电路模块10，图中一条螺旋线应有12只保护电路模块9或12只触发电路模块10，为绘图清晰起见，图1中并未完全绘制出所有保护电路模块和触发电路模块，但布局方式和前述发明内容是一致的。

图2中8个线缆端子接入螺孔11对称布置在上压装盘1上，实际上，下压装盘2也有对称布局的线缆端子接入螺孔11，但数量可以与上压装盘1上的螺孔数量不同。

图1中的外保护罩12用于保护开关组件本体的各种器件免受磕碰伤害，同时可以在一定程度上起到防电磁干扰的作用。外保护罩12可以使用金属导体制作，也可以是绝缘体制作。当外保护罩12是绝缘体时，它只起到保护作用。当外保护罩12是金属导体时，使用时外保护罩12应接地，同时与上、下引出线盘保持绝缘。

图3是两组串联开关组件再行并联的结构示意图，并联扩展主要是通过扩展上、下引出线盘和外保护罩实现。这种结构主要目的在于增加开关组件的通流能力，假设一组串联组件通流能力为峰值100kA，两组并联则可达200kA。图4结构的垂直俯视图，可以看作是一个正方形和两个半圆形的组合，也是对称结构，有利于平衡电动应力。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种模块化脉冲晶闸管的压装结构，其特征在于，包括上压装盘(1)、下压装盘(2)、上引出线盘(3)、下引出线盘(4)、压装螺栓(5)、缓冲元件(6)、绝缘拉杆(8)、保护电路模块(9)、触发电路模块(10)、线缆端子接入螺孔(11)和外保护罩(12)；

在所述上压装盘(1)与所述上引出线盘(3)之间、所述下压装盘(2)与所述下引出线盘(4)之间均安装有所述缓冲元件(6)；

所述上压装盘(1)和所述下压装盘(2)通过所述绝缘拉杆(8)连接，所述压装螺栓(5)贯通于所述绝缘拉杆(8)中，用于拉紧所述绝缘拉杆(8)，所述线缆端子接入螺孔(11)对称布置在所述上压装盘(1)和所述下压装盘(2)上；

压装时，晶闸管可控硅元件(7)被压装在所述上压装盘(1)和所述下压装盘(2)之间，所述保护电路模块(9)和所述触发电路模块(10)分布在晶闸管可控硅元件(7)外围；所述外保护罩(12)包裹在整个结构主体外。

2.如权利要求1所述的压装结构，其特征在于，所述缓冲元件为垫装弹簧或者碟簧。

3.如权利要求1所述的压装结构，其特征在于，所述压装螺栓(5)的个数与所述绝缘拉杆(8)数相等。

4.如权利要求3所述的压装结构，其特征在于，所述绝缘拉杆的数量m是绝缘拉杆数，I_p是通过整个开关组件的脉冲电流峰值，单位kA，F_x是单根绝缘拉杆轴向拉力耐受值，单位kN，为上取整符号。

5.如权利要求1-4任一项所述的压装结构，其特征在于，所述触发电路模块(10)和所述保护电路模块(9)呈双螺旋线型布局。

6.如权利要求5所述的压装结构，其特征在于，所述触发电路模块(10)的布局螺旋线和所述保护电路模块(9)的布局螺旋线的起点在轴向投影平面圆周上相距180度。

7.如权利要求5所述的压装结构，其特征在于，按串联晶闸管的轴向投影视角，呈螺旋线形布局的两个相邻模块的位置夹角度，N是串联晶闸管阀片的总数。