CN106896258A - 一种晶闸管瞬态导通压降测量电路 - Google Patents

一种晶闸管瞬态导通压降测量电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种晶闸管瞬态导通压降测量电路。该测量电路中，被测晶闸管S1和辅助晶闸管S2串联后接入主电路两端，作为主电路的放电控制开关；电容器C1和电阻器R1并联后与电感器L1串联，电感器L1另一端接正并二极管D1负极，正并二极管D1正极接被测晶闸管S1阳极，电容器C1和电阻器R1并联电路的另一端接被测晶闸管S1阴极；反并二极管D2正极接被测晶闸管S1阴极，反并二极管D2负极接被测晶闸管S1正极；示波器测量被测晶闸管S1两端电压。该测量电路能单独精确测量得到被测晶闸管瞬态导通压降，并能适应较宽的晶闸管工作电压范围。

Description

一种晶闸管瞬态导通压降测量电路
技术领域
本发明属于脉冲功率技术领域，涉及一种晶闸管瞬态导通压降测量电路。
背景技术
脉冲晶闸管是脉冲功率技术中应用最广泛的半导体开关器件，主要用于控制快速脉冲大电流，其电流脉宽仅为几微秒到百微秒，电流幅值则高达几千安到百千安。瞬态导通压降是表征脉冲晶闸管工作特性的重要参数，准确测量该参数对脉冲功率系统设计具有重要指导意义。然而，脉冲晶闸管瞬态导通压降不仅与瞬态电流值有关，还与电流变化率和晶闸管导通状态有关，即取决于实际工况。因此，脉冲晶闸管瞬态导通压降需要在实际使用现场在线测量。
目前，我国各晶闸管生产厂家常用的晶闸管导通压降测试仪都只提供晶闸管全面积导通时的稳态导通压降，而不能提供晶闸管导通全过程瞬态导通压降。这一方面是因为，常用的晶闸管导通压降测试仪采用晶闸管预开通和峰值电压保持的方法，只能测得晶闸管稳态导通压降，而不能观测元件导通瞬态过程的电压降；另一方面是因为，脉冲晶闸管瞬态导通压降取决于实际工况，需要在实际使用现场在线测量。
直接用高压探头无法准确测测得晶闸管瞬态导通压降，因为脉冲晶闸管初始承受电压一般在千伏以上，高压探头在千伏档位时的零漂就可能超过晶闸管瞬态导通压降(在几伏到几十伏)，从而使得瞬态导通压降测量结果偏差很大。
某文献(电气应用，2006，25(3)：108～109，93)公开了一种晶闸管峰值压降瞬态波形测量电路，如图1所示，部分解决了晶闸管瞬态导通压降测量问题。它包括主放电电路、被测晶闸管S1、电阻分压器、稳压二极管D1、单片机采样及显示电路。其中，主放电电路用于产生脉冲大电流，被测晶闸管S1是主放电电路的放电控制开关，电阻分压器由高压臂电阻R1和低压臂电阻R2组成，电阻分压器并联在被测晶闸管S1两端，稳压二极管D1并联在低压臂电阻R2两端，单片机采样及显示电路并联在稳压二极管D1两端。在工作时，主放电电路通过被测晶闸管S1放电，被测晶闸管S1两端瞬态导通压降经过电阻分压器分压和稳压二极管D1限幅，信号峰值降低到5V以下，然后该瞬态导通压降测量信号送入单片机采样及显示电路，最终显示出瞬态导通压降波形。
该方法主要存在以下问题：一、无法区分晶闸管导通之前正向阻断电压、导通阶段的管压降、关断之后反向阻断电压，即在导通压降波形之前先测量了一段时间的正向阻断电压，晶闸管关断之后又测量了一段时间的反向阻断电压，从而无法单独获得晶闸管瞬态导通压降波形；二、如果被测晶闸管工作电压较高(如数千伏)，那么电阻分压器的分压比须在千分之一量级，此时晶闸管导通压降测量值在几毫伏到几十毫伏，如此小的电压难以测量准确；
发明内容
本发明旨在提供一种脉冲晶闸管瞬态导通压降测量电路，解决脉冲功率设备中晶闸管瞬态导通压降测量问题。
本发明的技术方案如下：
该晶闸管瞬态导通压降测量电路，主要包括脉冲功率系统主电路、被测晶闸管S1、辅助晶闸管S2、第一单向导通器件、第二单向导通器件、电感器L1、电容器C1、电阻器R1和示波器；其中，被测晶闸管S1与辅助晶闸管S2串联后接入所述脉冲功率系统主电路两端，作为放电控制开关；电容器C1与电阻器R1并联后一端与所述电感器L1的一端串联，电感器L1的另一端接所述第一单向导通器件负极，所述第一单向导通器件正极接被测晶闸管S1阳极，电容器C1与电阻器R1并联电路的另一端接所述被测晶闸管S1阴极；第一单向导通器件、电感器L1以及电容器C1依次串联构成了与所述被测晶闸管S1并联的尖峰吸收电路；所述第二单向导通器件正极接所述被测晶闸管S1阴极，第二单向导通器件负极接所述被测晶闸管S1正极；所述示波器测量被测晶闸管S1两端电压。
基于以上方案，本发明还进一步作了如下优化：
上述第一单向导通器件为正向并联的二极管D1，所述第二单向导通器件为负向并联的二极管D2。
上述脉冲功率系统主电路为脉冲变压器升压电路，由初级储能电容Cp、脉冲变压器PT和次级电容器Cs组成。
上述电容器C1容量为百nF量级。
在被测晶闸管和辅助晶闸管处于正向阻断状态时，正并二极管正向偏置，正并二极管-电感器-电阻器支路将被测晶闸管的旁路，因此正向阻断电压基本都由辅助晶闸管承受，示波器测得的被测晶闸管两端电压(小于1伏)可以忽略。
当同步触发被测晶闸管和辅助晶闸管后，主电路开始通过被测晶闸管和辅助晶闸管放电。在被测晶闸管和辅助晶闸管导通的起始阶段，高电压将在两者之前重新分配。在高电压重新分配过程中，正并二极管-电感器-电容器构成了尖峰吸收电路，防止被测晶闸管上出现尖峰电压。由于电容器容量较小(一般为几百纳法)，正并二极管-电感器-电容器支路很快就因电容器充满电而自动断开，不影响被测晶闸管初始导通压降的测量。高电压重新分配过程结束后，被测晶闸管和辅助晶闸管进入正常导通阶段，示波器测得被测晶闸管瞬态导通压降，包括初始导通压降和全面积导通压降。
当主电路放电完毕后，被测晶闸管的反向关断尖峰电压由反并二极管吸收，示波器测得电压(小于-1伏)可以忽略。被测晶闸管和辅助晶闸管反向关断结束后，反并二极管正向偏置，将被测晶闸管旁路，主电路中出现的反向电压基本都由辅助晶闸管承受，示波器测得电压(小于-1伏)可以忽略。
本发明具有以下优点：
一、正向阻断状态时，正并二极管-电感器-电阻器支路将被测晶闸管旁路；反向阻断状态时，反向阻断电压由反并二极管吸收。因此，排除了正向阻断电压和反向阻断电压的干扰，示波器能单独精确测量得到被测晶闸管瞬态导通压降。
二、由于排除了正向阻断电压和反向阻断电压的干扰，晶闸管瞬态导通压降的测量精度与晶闸管工作电压无关，因此该测量电路不仅可以测量低压(几十伏)脉冲晶闸管的瞬态导通压降，也能测量高压(数千伏以上)脉冲晶闸管瞬态导通压降。
附图说明
图1某文献公开的一种晶闸管峰值压降瞬态波形测量电路；
图2本发明的脉冲晶闸管瞬态导通压降测量电路；
图3本发明的脉冲晶闸管瞬态导通压降测量电路的一个实例；
图4本发明的脉冲晶闸管瞬态导通压降测量电路实测波形。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的脉冲晶闸管瞬态导通压降测量电路做详细描述。
图2给出了本发明的脉冲晶闸管瞬态导通压降测量电路示意图。它包括主电路、被测晶闸管S1、辅助晶闸管S2、正并二极管D1、电感器L1、电容器C1、电阻器R1、反并二极管D2、示波器。其中，被测晶闸管S1和辅助晶闸管S2串联后接入主电路两端，作为主电路的放电控制开关；电容器C1和电阻器R1并联后与电感器L1串联，电感器L1另一端接正并二极管D1负极，正并二极管D1正极接被测晶闸管S1阳极，电容器C1和电阻器R1并联电路的另一端接被测晶闸管S1阴极；反并二极管D2正极接被测晶闸管S1阴极，反并二极管D2负极接被测晶闸管S1正极；示波器测量被测晶闸管S1两端电压。
静态阶段：被测晶闸管S1被旁路，主电路电压由辅助晶闸管S2承受，从而排除了被测晶闸管S1导通之前正向电压和关断之后反向电压的干扰。如果被测晶闸管S1承受正向电压，正并二极管D1-电感器L1-电阻器R1支路将其旁路；如果被测晶闸管S1承受反向电压，反并二极管D2将其旁路。
动态放电阶段：当同步触发被测晶闸管S1和辅助晶闸管S2后，主电路开始通过被测晶闸管S1和辅助晶闸管S2放电。在被测晶闸管S1和辅助晶闸管S2导通的起始阶段，高电压将在两者之前重新分配。在高电压重新分配过程中，正并二极管D1-电感器L1-电容器C1构成了尖峰吸收电路，防止被测晶闸管S1上出现尖峰电压。由于电容器C1容量较小(一般为几百纳法)，正并二极管D1-电感器L1-电容器C1支路很快就因电容器C1充满电而自动断开，不影响被测晶闸管S1初始导通压降的测量。高电压重新分配过程结束后，被测晶闸管S1和辅助晶闸管S2进入正常导通阶段，示波器测得被测晶闸管S1瞬态导通压降，包括初始导通压降和全面积导通压降。
当主电路放电完毕后，被测晶闸管S1的反向关断尖峰电压由反并二极管D2吸收，示波器测得电压(小于-1伏)可以忽略。被测晶闸管S1和辅助晶闸管S2反向关断结束后，反并二极管D2正向偏置，将被测晶闸管S1旁路，主电路中出现的反向电压基本都由辅助晶闸管S2承受，示波器测得电压(小于-1伏)可以忽略。
图3给出了本发明的一个脉冲晶闸管瞬态导通压降测量电路的实施例子：某脉冲功率系统主电路是一个脉冲变压器升压电路，由初级储能电容Cp、脉冲变压器PT和次级电容器Cs组成，初级储能电压1000V，采用1只额定电压2kV的脉冲晶闸管S1作为放电开关。采用罗夫斯基线圈测得，脉冲变压器工作时初级放电电流峰值约6kA，脉宽约100us。现在欲测量脉冲变压器工作过程中脉冲晶闸管S1上的瞬态导通压降。设计的脉冲晶闸管瞬态导通压降测量电路参数如下：
S1：被测晶闸管，额定电压2kV；
S2：辅助晶闸管，与被测晶闸管指标相同；
D1：正反向阻断电压为2kV、平均电流10A的快速恢复二极管；
D2：正反向阻断电压为2kV、平均电流10A的快速恢复二极管；
L1：600nH，绕线直径1mm；
C1：0.22uF、100V金属化薄膜无感电容器；
R1：200欧姆，10W电阻器。
附图4是该脉冲功率系统中脉冲晶闸管导通压降的现场测试波形。可见，由于排除了正向阻断电压和反向阻断电压的干扰，能单独测量得到包括初始导通压降在内的晶闸管工作全过程的瞬态导通压降。由于工作现场电磁环境恶劣，附图3的波形上附加了的较强的高频干扰，但不影响对脉冲晶闸管导通压降的读取。

Claims (4)

1.一种晶闸管瞬态导通压降测量电路，其特征在于：包括脉冲功率系统主电路、被测晶闸管S1、辅助晶闸管S2、第一单向导通器件、第二单向导通器件、电感器L1、电容器C1、电阻器R1和示波器；其中，被测晶闸管S1与辅助晶闸管S2串联后接入所述脉冲功率系统主电路两端，作为放电控制开关；电容器C1与电阻器R1并联后一端与所述电感器L1的一端串联，电感器L1的另一端接所述第一单向导通器件负极，所述第一单向导通器件正极接被测晶闸管S1阳极，电容器C1与电阻器R1并联电路的另一端接所述被测晶闸管S1阴极；第一单向导通器件、电感器L1以及电容器C1依次串联构成了与所述被测晶闸管S1并联的尖峰吸收电路；所述第二单向导通器件正极接所述被测晶闸管S1阴极，第二单向导通器件负极接所述被测晶闸管S1正极；所述示波器测量被测晶闸管S1两端电压。
2.根据权利要求1所述的晶闸管瞬态导通压降测量电路，其特征在于：所述第一单向导通器件为正向并联的二极管D1，所述第二单向导通器件为负向并联的二极管D2。
3.根据权利要求1所述的晶闸管瞬态导通压降测量电路，其特征在于：所述脉冲功率系统主电路为脉冲变压器升压电路，由初级储能电容Cp、脉冲变压器PT和次级电容器Cs组成。
4.根据权利要求1所述的晶闸管瞬态导通压降测量电路，其特征在于：所述电容器C1容量为百nF量级。
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