CN110830019A - 一种驱动多路晶闸管的触发控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种驱动多路晶闸管的触发控制器，目的是解决现有晶闸管触发方式不能触发多路晶闸管的问题。本发明由光接收模块、N个MOSFET驱动器、N个功率MOSFET、(N‑1)个集成单稳态触发器组成；光接收模块、第一MOSFET驱动器与第一功率MOSFET构成第一路信号传输通道；光接收模块、第一集成单稳态触发器、第二MOSFET驱动器以及第二功率MOSFET构成第二路信号传输通道；……；光接收模块、第(N‑1)集成单稳态触发器、第N MOSFET驱动器、第N功率MOSFET构成第N路信号传输通道；N路信号传输通道分别触发N个晶闸管；本发明通过调节(N‑1)个集成单稳态触发器的时延，可弥补现有触发方式中多路脉冲变压器的输出一致性难以解决的不足，实现N路晶闸管的精确控制。

Description

一种驱动多路晶闸管的触发控制器
技术领域
本发明涉及一种触发控制器，具体涉及一种能够驱动多路晶闸管的触发控制器，属于脉冲功率技术领域。
背景技术
晶闸管(Thyristor)是晶体闸流管的简称，又称可控硅整流器(SiliconControlled Rectifier,SCR)，具有结构紧凑，介质恢复速度快，无噪声，触发精确可控，通态压降低，通流能力强，可靠性高以及环境适应力强等优点，目前，采用若干个晶闸管串并联组成晶闸管组件是实现脉冲功率主控开关高电压、大电流运行的主要方式，这就对各路触发信号的时间顺序和幅值一致性提出了要求。在合理选取脉冲功率电源模块主电路拓扑结构和晶闸管参数的前提下，其触发系统的优劣将直接影响主电路的放电性能。因此，如何快速、可靠地触发多路晶闸管显得尤为重要，是脉冲功率电源的关键技术之一。
晶闸管作为初级储能充电系统的主控开关，其触发控制系统的目的是为门极提供符合触发要求的电脉冲信号。因此，触发控制系统工作性能的好坏直接决定着初级储能充电系统主控开关能否正常触发导通。在脉冲功率领域，晶闸管通常工作在复杂的电磁环境下，其触发控制系统很容易受到外界的干扰而无法正常运行。
晶闸管触发方式主要有三种【吴利红,李振超.大功率晶闸管的触发电路设计与研究[J].电光系统,2009.】：(1)变压器隔离触发方式，将低电位触发脉冲信号经脉冲变压器隔离后送到高电位晶闸管门级。这种方式触发脉冲采用全电缆传输，受电磁干扰严重，多路脉冲变压器的输出一致性难以解决，不适合大功率晶闸管串并联使用的场合；(2)光耦合隔离触发方式，将触发脉冲经过光耦合器传输至高电位脉冲放大电路，脉冲放大后触发晶闸管。该方式可隔离上千伏高压，但是当电压继续升高时则难以胜任，且该方式仍采用全电路传输脉冲，脉冲传输受干扰问题未能解决；(3)光纤隔离触发，采用光纤传输技术。即触发脉冲经过电光转换器耦合到光纤，然后由光纤传输到高电位脉冲放大单元，再经光电转换输出电信号，整形、放大后输出到晶闸管门级。该方式解决了高压隔离问题，同时因为采用光纤传输脉冲，在传输途中不受电磁干扰，大限度地减少了外界电磁干扰。但文中给出的方案仅能触发一路晶闸管，未考虑当有多路晶闸管时的触发控制方案。
发明内容
本发明要解决的技术问题是解决现有晶闸管触发方式中变压器隔离触发方式与光耦合隔离触发方式采用全电路传输脉冲，受电磁干扰严重，以及对多路串/并联晶闸管驱动输出的时间一致性(或多路时间顺序精确性)难以解决的问题，并解决光纤隔离触发方式不能触发多路晶闸管的问题，提出一种驱动多路晶闸管的触发控制器。结合集成单稳态触发器的应用，解决变压器隔离触发方式不适合大功率晶闸管串并联使用的场合的问题，可以产生分散性小、前沿陡峭的晶闸管门级触发脉冲，是一种实用、有效的驱动晶闸管的触发方式，并且具有成本低、性能好的综合优势。
本发明采用以下技术方案：
一种驱动多路晶闸管的触发控制器，可驱动N(N为正整数且N≥2)路晶闸管，由光接收模块、N个金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)驱动器(即第一MOSFET驱动器、第二MOSFET驱动器、……、第nMOSFET驱动器、……、第N MOSFET驱动器)、N个功率MOSFET(即第一功率MOSFET、第二功率MOSFET、……、第n功率MOSFET、……、第N功率MOSFET)、(N-1)个集成单稳态触发器(即第一集成单稳态触发器、第二集成单稳态触发器、……、第(n-1)集成单稳态触发器、……、第(N-1)集成单稳态触发器)组成。2≤n≤N，N为正整数；光接收模块与外部同步信号源之间通过光纤连接，以避免电磁干扰，其余各元件的连接为普通电缆连接即可。
光接收模块、第一MOSFET驱动器与第一功率MOSFET构成第一路信号传输通道；光接收模块、第一集成单稳态触发器、第二MOSFET驱动器以及第二功率MOSFET构成第二路信号传输通道；光接收模块、第二集成单稳态触发器、第三MOSFET驱动器以及第三功率MOSFET构成第三路信号传输通道；……；光接收模块、第(n-1)集成单稳态触发器、第n MOSFET驱动器以及第n功率MOSFET构成第n路信号传输通道……；光接收模块、第(N-1)集成单稳态触发器、第NMOSFET驱动器以及第N功率MOSFET构成第N路信号传输通道。第一路信号传输通道用来触发外部脉冲功率系统中的第一晶闸管S1，第二路信号传输通道用来触发外部脉冲功率系统中的第二晶闸管S2，第三路信号传输通道用来触发外部脉冲功率系统中的第三晶闸管S3，……，第n路信号传输通道用来触发外部脉冲功率系统中的第n晶闸管Sn，……，第N路信号传输通道用来触发外部脉冲功率系统中的第N晶闸管SN，N路信号传输通道共用光接收模块；2≤n≤N。
第一路信号传输通道中，光接收模块是一个光-电转换模块，与第一MOSFET驱动器相连，外接同步信号源(光接收模块与外部同步信号源之间通过光纤连接)，接收同步信号源产生的光脉冲信号(脉宽为τ，波长为λ，光功率为W)，并将接收到的光脉冲信号转换为一个脉冲弱电流信号传递给第一MOSFET驱动器；光接收模块一般采用低功耗的光接收器结合具有电平转换和功率放大功能的场效应晶体管(由光接收器出来的信号电流小，且驱动能力弱，不能直接驱动MOSFET驱动器，因此需要进行电平转换和功率放大)；第一MOSFET驱动器与光接收模块和第一功率MOSFET相连，将从光接收模块接收到的脉冲弱电流信号放大为脉冲大电流信号并将脉冲大电流信号发送至第一功率MOSFET；第一功率MOSFET与第一MOSFET驱动器和外部脉冲功率系统中的第一晶闸管S1相连，将从第一MOSFET驱动器接收到的脉冲大电流信号转换为更高强度的脉冲大电流信号，第一功率MOSFET的输出端作为第一路信号传输通道的输出端，将更高强度的脉冲大电流信号发送给外部脉冲功率系统中的第一晶闸管S1，用于触发第一晶闸管S1。
第二路信号传输通道中的第一集成单稳态触发器与光接收模块、第二MOSFET驱动器相连，是一个具有延时功能的元件，它将从光接收模块接收到的脉冲弱电流信号进行延时，向第二MOSFET驱动器输出相对第一路信号传输通道具有时延为t1(t1连续可调，且50μs≤t1≤35ms)的脉冲弱电流信号；第二MOSFET驱动器与第一集成单稳态触发器和第二功率MOSFET相连，将从第一集成单稳态触发器接收到具有时延为t1的脉冲弱电流信号放大为具有时延为t1脉冲大电流信号并将具有时延为t1脉冲大电流信号发送至第二功率MOSFET；第二功率MOSFET与第二MOSFET驱动器和外部脉冲功率系统中的第二晶闸管S2相连，将从第二MOSFET驱动器接收到具有时延为t1的脉冲大电流信号转换为更高强度的具有时延为t1脉冲大电流信号，第二功率MOSFET的输出端作为第二路信号传输通道的输出端，将更高强度的具有时延为t1脉冲大电流信号发送给外部脉冲功率系统中的第二晶闸管S2，用于触发第二晶闸管S2。
第三路信号传输通道中的第二集成单稳态触发器与光接收模块、第三MOSFET驱动器相连，第二集成单稳态触发器与第一集成单稳态触发器完全相同，它将从光接收模块接收到的脉冲弱电流信号进行延时，向第三MOSFET驱动器输出相对第一路信号传输通道具有时延为t2(t2连续可调，且50μs≤t2≤35ms)的脉冲弱电流信号；第三MOSFET驱动器与第二集成单稳态触发器和第三功率MOSFET相连，将从第二集成单稳态触发器接收到具有时延为t2的脉冲弱电流信号放大为具有时延为t2脉冲大电流信号并将具有时延为t2脉冲大电流信号发送至第三功率MOSFET；第三功率MOSFET与第三MOSFET驱动器和外部脉冲功率系统中的第三晶闸管S3相连，将从第三MOSFET驱动器接收到具有时延为t2的脉冲大电流信号转换为更高强度的具有时延为t2脉冲大电流信号，第三功率MOSFET的输出端作为第三路信号传输通道的输出端，将更高强度的具有时延为t2脉冲大电流信号发送给外部脉冲功率系统中的第三晶闸管S3，用于触发第三晶闸管S3。
按照与第三路信号传输通道相同的连接方式，第n功率MOSFET的输出端作为第n路信号传输通道的输出端，将相对第一路信号传输通道具有时延为tn-1(tn-1连续可调，且50μs≤tn-1≤35ms)脉冲大电流信号发送给外部脉冲功率系统中的第n晶闸管Sn，用于触发第n晶闸管Sn；……；第N功率MOSFET的输出端作为第N路信号传输通道的输出端，将相对第一路信号传输通道具有时延为tN-1(tN-1连续可调，且50μs≤tN-1≤35ms)脉冲大电流信号发送给外部脉冲功率系统中的第N晶闸管SN，用于触发第N晶闸管SN。
一般来说，触发控制器的输出端必须与晶闸管的门级相连，晶闸管门级电位远高于触发控制器的输出脉冲电位，因此在弱电(触发控制器)与强电(晶闸管)之间一般加隔离元件，防止晶闸管门级上的高电压(kV量级)信号通过触发控制器的信号输出端进入触发控制器。通常在触发控制器的第一MOSFET驱动器与第一晶闸管S1之间、第二MOSFET驱动器与第二晶闸管S2之间、第三MOSFET驱动器与第三晶闸管S3之间、……、第n MOSFET驱动器与第n晶闸管Sn之间、……、第N MOSFET驱动器与第N晶闸管SN之间通过隔离变压器进行电绝缘隔离，隔离变压器为磁芯变压器，变比为1：1。
进一步地，为了防止功率MOSFET输出的更高强度的脉冲大电流信号通过MOSFET驱动器的输出端进入MOSFET驱动器，对前级电路造成影响，可在第一MOSFET驱动器与第一功率MOSFET之间、第二MOSFET驱动器与第二功率MOSFET之间、第三MOSFET驱动器与第三功率MOSFET之间、……、第n MOSFET驱动器与第n功率MOSFET之间、……、第N MOSFET驱动器与第N功率MOSFET之间采用隔离变压器进行电绝缘隔离，隔离变压器为磁芯变压器，变比为1：1。
为了降低空间电磁辐射对触发控制器的干扰，可将触发控制器用金属外壳进行封装，并将金属外壳接地。
本发明的工作过程如下：
第一步，光接收模块接收外部同步信号源产生的光脉冲信号，并将光脉冲信号转换为脉冲弱电流信号发送给第一路信号传输通道中的第一MOSFET驱动器与第二、第三、……、第n、……、第N路信号传输通道中的第一、第二、……、第(n-1)、……、第(N-1)集成单稳态触发器：
1.1光接收模块中的光接收器接收外部同步信号源产生的光脉冲信号，将光脉冲信号转换为电脉冲信号；
1.2光接收器将转换的电脉冲信号发送给光接收模块中的场效应晶体管，进行电平转换与功率放大，输出为脉冲弱电流信号；
1.3光接收模块将脉冲弱电流信号发送给第一路信号传输通道中的第一MOSFET驱动器；
同时，光接收模块将脉冲弱电流信号发送给第二路信号传输通道中的第一集成单稳态触发器；
同时，光接收模块将脉冲弱电流信号发送给第三路信号传输通道中的第二集成单稳态触发器；……；同时光接收模块将脉冲弱电流信号发送给第n路信号传输通道中的第(n-1)集成单稳态触发器；……；
同时，光接收模块将脉冲弱电流信号发送给第N路信号传输通道中的第(N-1)集成单稳态触发器。
第二步，第一路信号传输通道中的第一MOSFET驱动器将脉冲弱电流信号转换为脉冲大电流信号发送给第一功率MOSFET；第二、第三、……、第n、……、第N路信号传输通道中，第一、第二、……、第(n-1)、……、第(N-1)集成单稳态触发器将脉冲弱电流信号进行延时发送给第二、第三、……、第n、……、第N MOSFET驱动器；
2.1第一路信号传输通道中，第一MOSFET驱动器接收光接收模块发送的脉冲弱电流信号，对信号进行放大，转换为脉冲大电流信号，将脉冲大电流信号发送给第一功率MOSFET；
2.2第一、第二、……、第(n-1)、……、第(N-1)集成单稳态触发器将脉冲弱电流信号进行延时：
2.2.1第二路信号传输通道中，第一集成单稳态触发器接收光接收模块发送的脉冲弱电流信号，对信号进行延时，将相对第一路信号传输通道具有时延t1的脉冲弱电流信号发送给第二MOSFET驱动器；
同时，第三路信号传输通道中，第二集成单稳态触发器接收光接收模块发送的脉冲弱电流信号，对信号进行延时，将相对第一路信号传输通道具有时延t2的脉冲弱电流信号发送给第三MOSFET驱动器；
同时，第n路信号传输通道中的第(n-1)集成单稳态触发器接收光接收模块发送的脉冲弱电流信号，对信号进行延时，将相对第一路信号传输通道具有时延tn-1的脉冲弱电流信号发送给第n MOSFET驱动器；……；
同时，第N路信号传输通道中，第(N-1)集成单稳态触发器接收光接收模块发送的脉冲弱电流信号，对信号进行延时，将相对第一路信号传输通道具有时延tN-1的脉冲弱电流信号发送给第N MOSFET驱动器；
第三步，第一路信号传输通道中的第一功率MOSFET将脉冲大电流信号转换为更高强度的脉冲大电流信号，触发第一晶闸管S1；第二、第三、……、第n、……、第N路信号传输通道中，第二、第三、……、第n、……、第N MOSFET驱动器将相对第一路信号传输通道具有时延为t1、t2、……、tn-1、……、tN-1的脉冲弱电流信号转换为相对第一路信号传输通道具有时延为t1、t2、……、tn-1、……、tN-1的脉冲大电流信号，并将相对第一路信号传输通道具有时延为t1、t2、……、tn-1、……、tN-1的脉冲大电流信号传递给第二、第三、……、第n、……、第N功率MOSFET：
3.1第一路信号传输通道中，第一功率MOSFET接收第一MOSFET驱动器产生的脉冲大电流信号，将脉冲大电流信号进行放大，转换为更高强度的脉冲大电流信号，并将更高强度的脉冲大电流信号发送给外部脉冲功率系统中的第一晶闸管S1，第一晶闸管S1被触发；
3.2第二路信号传输通道中，第二MOSFET驱动器接收第一集成单稳态触发器产生的相对第一路信号传输通道具有时延为t1的脉冲弱电流信号，对信号进行放大，转换为相对第一路信号传输通道具有时延为t1的脉冲大电流信号，将相对第一路信号传输通道具有时延为t1的脉冲大电流信号发送给第二功率MOSFET；
同时，第三路信号传输通道中，第三MOSFET驱动器接收第二集成单稳态触发器产生的相对第一路信号传输通道具有时延为t2的脉冲弱电流信号，对信号进行放大，转换为相对第一路信号传输通道具有时延为t2的脉冲大电流信号，将相对第一路信号传输通道具有时延为t2的脉冲大电流信号发送给第三功率MOSFET；
同时，第n路信号传输通道中，第n MOSFET驱动器接收第(n-1)集成单稳态触发器产生的相对第一路信号传输通道具有时延为tn-1的脉冲弱电流信号，对信号进行放大，转换为相对第一路信号传输通道具有时延为tn-1的脉冲大电流信号，将相对第一路信号传输通道具有时延为tn-1的脉冲大电流信号发送给第n功率MOSFET；……；
同时，第N路信号传输通道中，第N MOSFET驱动器接收第(N-1)集成单稳态触发器产生的相对第一路信号传输通道具有时延为tN-1的脉冲弱电流信号，对信号进行放大，转换为相对第一路信号传输通道具有时延为tN-1的脉冲大电流信号，经隔离变压器将相对第一路信号传输通道具有时延为tN-1的脉冲大电流信号发送给第N功率MOSFET；
第四步，第二、第三、……、第N路信号传输通道中，第二、第三、……、第n、……、第N功率MOSFET将相对第一路信号传输通道具有时延为t1、t2、……、tn-1、……、tN-1的脉冲大电流信号转换为相对第一路信号传输通道具有时延为t1、t2、……、tn-1、……、tN-1的更高强度的脉冲大电流，触发第二、第三、……、第n、……、第N晶闸管S2、S3、……、Sn、……、SN；
4.1第二路信号传输通道中，第二功率MOSFET接收第二MOSFET驱动器产生的相对第一路信号传输通道具有时延为t1的脉冲大电流信号，将相对第一路信号传输通道具有时延为t1的脉冲大电流信号进行放大，转换为更高强度的相对第一路信号传输通道具有时延为t1的脉冲大电流信号，并将更高强度的相对第一路信号传输通道具有时延为t1的脉冲大电流信号发送给外部脉冲功率系统中的第二晶闸管S2，第二晶闸管S2被触发，相对第一晶闸管S1的触发时延为t1；
同时，第三路信号传输通道中，第三功率MOSFET接收第三MOSFET驱动器产生的相对第一路信号传输通道具有时延为t2的脉冲大电流信号，将相对第一路信号传输通道具有时延为t2的脉冲大电流信号进行放大，转换为更高强度的相对第一路信号传输通道具有时延为t2的脉冲大电流信号，并将更高强度的相对第一路信号传输通道具有时延为t2的脉冲大电流信号发送给外部脉冲功率系统中的第三晶闸管S3，第三晶闸管S3被触发，相对第一晶闸管S1的触发时延为t2；
同时，第n路信号传输通道中，第n功率MOSFET接收第n MOSFET驱动器产生的相对第一路信号传输通道具有时延为tn-1的脉冲大电流信号，将相对第一路信号传输通道具有时延为tn-1的脉冲大电流信号进行放大，转换为更高强度的相对第一路信号传输通道具有时延为tn-1的脉冲大电流信号，并将更高强度的相对第一路信号传输通道具有时延为tn-1的脉冲大电流信号发送给外部脉冲功率系统中的第n晶闸管Sn，第n晶闸管Sn被触发，相对第一晶闸管S1的触发时延为tn-1；……；
同时，第N路信号传输通道中，第N功率MOSFET接收第N MOSFET驱动器产生的相对第一路信号传输通道具有时延为tN-1的脉冲大电流信号，将相对第一路信号传输通道具有时延为tN-1的脉冲大电流信号进行放大，转换为更高强度的相对第一路信号传输通道具有时延为tN-1的脉冲大电流信号，并将更高强度的相对第一路信号传输通道具有时延为tN-1的脉冲大电流信号发送给外部脉冲功率系统中的第N晶闸管SN，第N晶闸管SN被触发，相对第一晶闸管S1的触发时延为tN-1。
与现有技术相比，本发明可以达到以下技术效果：
1、本发明引入(N-1)个集成单稳态触发器，可同时触发N路串并联的晶闸管，同时，通过调节(N-1)个集成单稳态触发器的时延，可弥补现有变压器隔离触发方式中多路脉冲变压器的输出一致性难以解决的不足，实现N路晶闸管的精确控制；
2、本发明的N路信号传输通道独立，仅共用光接收模块，做到了N路信号传输通道独立传输脉冲，且N路信号传输通道互不干扰，提高了触发控制器的稳定性；
3、本发明采用光纤隔离的保护措施，在光接收模块与外部同步信号源之间采用光纤代替电线传输信号，解决了电磁辐射通过电耦合的方式馈入电子元件中干扰信号的问题，同时可以有效防止由于电路元件参数漂移造成的误动作，提高系统的抗干扰能力；
4、本发明采用变压器隔离的保护措施，利用隔离变压器在晶闸管的门级与触发控制器之间进行电绝缘隔离，防止晶闸管门级上的高电压(kV量级)信号通过触发控制器的信号输出端进入触发控制器，造成元件损毁；
5、本发明在触发控制器外面用金属外壳封装，并将金属外壳接地，可以有效降低空间电磁辐射对触发控制器的干扰。
附图说明
图1为本发明一种驱动多路晶闸管的触发控制器的总体逻辑结构图；
图2为本发明一种实施例的实验输出波形；
图3为图2中的第一路信号在时间轴上的展开图；
图4为图2中的第二路信号在时间轴上的展开图；
图5为图2中的第三路信号在时间轴上的展开图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明一种驱动多路晶闸管的触发控制器的逻辑结构图。本发明可驱动N(N≥2)路晶闸管，由光接收模块、N个MOSFET驱动器(即第一MOSFET驱动器、第二MOSFET驱动器、……、第NMOSFET驱动器)、N个功率MOSFET(即第一功率MOSFET、第二功率MOSFET、……、第N功率MOSFET)、(N-1)个集成单稳态触发器(即第一集成单稳态触发器、第二集成单稳态触发器、……、第(N-1)集成单稳态触发器)组成。光接收模块与外部同步信号源之间通过光纤连接。光接收模块、第一MOSFET驱动器与第一功率MOSFET构成第一路信号传输通道；光接收模块、第一集成单稳态触发器、第二MOSFET驱动器以及第二功率MOSFET构成第二路信号传输通道；光接收模块、第二集成单稳态触发器、第三MOSFET驱动器以及第三功率MOSFET构成第三路信号传输通道；……；光接收模块、第(n-1)集成单稳态触发器、第n MOSFET驱动器以及第n功率MOSFET构成第n路信号传输通道；……；光接收模块、第(N-1)集成单稳态触发器、第N MOSFET驱动器以及第N功率MOSFET构成第N路信号传输通道。第一路信号传输通道用来触发外部脉冲功率系统中的第一晶闸管S1，第二路信号传输通道用来触发外部脉冲功率系统中的第二晶闸管S2，……，第n路信号传输通道用来触发外部脉冲功率系统中的第三晶闸管Sn，……，第N路信号传输通道用来触发外部脉冲功率系统中的第N晶闸管SN，N路信号传输通道共用光接收模块；第一路信号传输通道中，光接收模块是一个光-电转换模块，与第一MOSFET驱动器相连，外接同步信号源(光接收模块与外部同步信号源之间通过光纤连接)，接收同步信号源产生的光脉冲信号(脉宽为τ，波长为λ，光功率为W)，并将接收到的光脉冲信号转换为一个脉冲弱电流信号(5V/10mA量级)传递给第一MOSFET驱动器；光接收模块由低功耗的光接收器和具有电平转换和功率放大功能的场效应晶体管连接而成(由光接收器出来的信号电流小，且驱动能力弱，不能直接驱动MOSFET驱动器，因此需要进行电平转换和功率放大)；第一MOSFET驱动器与光接收模块和第一功率MOSFET相连，将从光接收模块接收到的脉冲弱电流信号(5V/10mA量级)放大为脉冲大电流信号(12V/2A量级)并将脉冲大电流信号发送至第一功率MOSFET；第一功率MOSFET与第一MOSFET驱动器和外部脉冲功率系统中的第一晶闸管S1相连，将从第一MOSFET驱动器接收到的脉冲大电流信号(12V/2A量级)转换为更高强度的脉冲大电流信号(12V/10A量级)，第一功率MOSFET的输出端作为第一路信号传输通道的输出端，将更高强度的脉冲大电流信号(12V/10A量级)发送给外部脉冲功率系统中的第一晶闸管S1，用于触发第一晶闸管S1。
第二路信号传输通道中的第一集成单稳态触发器与光接收模块、第二MOSFET驱动器相连，是一个具有延时功能的元件，它将从光接收模块接收到的脉冲弱电流信号(5V/10mA量级)进行延时，向第二MOSFET驱动器输出相对第一路信号传输通道具有时延为t1(t1连续可调，且50μs≤t1≤35ms)的脉冲弱电流信号(5V/10mA量级)；第二MOSFET驱动器与第一集成单稳态触发器和第二功率MOSFET相连，将从第一集成单稳态触发器接收到具有时延为t1的脉冲弱电流信号(5V/10mA量级)放大为具有时延为t1脉冲大电流信号(12V/2A量级)并将具有时延为t1脉冲大电流信号(12V/2A量级)发送至第二功率MOSFET；第二功率MOSFET与第二MOSFET驱动器和外部脉冲功率系统中的第二晶闸管S2相连，将从第二MOSFET驱动器接收到具有时延为t1的脉冲大电流信号(12V/2A量级)转换为更高强度的具有时延为t1脉冲大电流信号(12V/10A量级)，第二功率MOSFET的输出端作为第二路信号传输通道的输出端，将更高强度的具有时延为t1脉冲大电流信号(12V/10A量级)发送给外部脉冲功率系统中的第二晶闸管S2，用于触发第二晶闸管S2。第n路信号传输通道中的第二集成单稳态触发器与光接收模块、第n MOSFET驱动器相连，第(n-1)集成单稳态触发器与第一集成单稳态触发器完全相同，它将从光接收模块接收到的脉冲弱电流信号(5V/10mA量级)进行延时，向第nMOSFET驱动器输出相对第一路信号传输通道具有时延为tn-1(tn-1连续可调，且50μs≤tn-1≤35ms)的脉冲弱电流信号(5V/10mA量级)；第n MOSFET驱动器与第(n-1)集成单稳态触发器和第三功率MOSFET相连，将从第二集成单稳态触发器接收到具有时延为tn-1的脉冲弱电流信号(5V/10mA量级)放大为具有时延为tn-1脉冲大电流信号(12V/2A量级)并将具有时延为tn-1脉冲大电流信号发送至第n功率MOSFET；第n功率MOSFET与第n MOSFET驱动器和外部脉冲功率系统中的第n晶闸管Sn相连，将从第n MOSFET驱动器接收到具有时延为tn-1的脉冲大电流信号(12V/2A量级)转换为更高强度的具有时延为tn-1脉冲大电流信号(12V/10A量级)，第n功率MOSFET的输出端作为第n路信号传输通道的输出端，并将更高强度的具有时延为tn-1脉冲大电流信号发送给外部脉冲功率系统中的第n晶闸管Sn，用于触发第n晶闸管Sn。按照与第n路信号传输通道相同的连接方式，第N功率MOSFET的输出端作为第N路信号传输通道的输出端，将相对第一路信号传输通道具有时延为tN-1(tN-1连续可调，且50μs≤tN-1≤35ms)脉冲大电流信号(12V/10A量级)发送给外部脉冲功率系统中的第N晶闸管SN，用于触发第N晶闸管SN。
国防科技大学基于本发明设计了一个能驱动3路晶闸管的触发控制器(即N＝3)(命名为实施例1)，光接收模块采用低功耗的光接收器HFBR2412芯片与具有电平转换和功率放大功能的场效应晶体管2SK2742芯片连接而成，光接收器HFBR2412芯片通过光纤与外部同步信号源相连，接收外部同步信号源产生的光脉冲参数为：脉宽τ＝40μs，波长λ＝820nm(即红外光脉冲信号)，光功率W＝-15dBm；3个MOSFET驱动器采用3个TC4424芯片、3个功率MOSFET采用3个IRF740芯片、2个集成单稳态触发器采用2个CD4098芯片。
为防止晶闸管门级上的高电压(kV量级)信号通过触发控制器的信号输出端进入触发控制器，在触发控制器的第一MOSFET驱动器与第一晶闸管S1之间、第二MOSFET驱动器与第二晶闸管S2之间、第三MOSFET驱动器与第三晶闸管S3之间通过隔离变压器进行电绝缘隔离，隔离变压器为磁芯变压器，变比为1：1；同时，为了防止功率MOSFET输出的更高强度的脉冲大电流信号通过MOSFET驱动器的输出端进入MOSFET驱动器对前级电路造成影响，在第一MOSFET驱动器与第一功率MOSFET、第二MOSFET驱动器与第二功率MOSFET、第三MOSFET驱动器与第三功率MOSFET之间采用隔离变压器进行电绝缘隔离，隔离变压器为磁芯变压器，变比为1：1；进一步地，为了降低空间电磁辐射对触发控制器的干扰，将触发控制器用金属外壳进行封装，并将金属外壳接地。
为了验证实施例1的特性，根据设计进行了实验验证，图2为是实施例1的典型输出波形，将高压探头分别置于第一、第二、第三功率MOSFET输出端，控制外部同步信号源向光接收模块发出光脉冲信号(脉宽τ＝40μs，波长λ＝820nm(即红外光脉冲信号)，光功率W＝-15dBm)，将第一、第二、第三功率MOSFET输出信号馈入示波器，分别得到第一路信号、第二路信号与第三路信号，如图2所示，横轴为时间轴，示波器时基为0.5ms/div，0时刻为第一功率MOSFET输出更高强度脉冲大电流的时刻，纵轴为电压值，为方便读数，设置第一路信号的纵轴范围为-60V-24V，第二路信号纵轴的范围为-36V-36V，第三路信号的纵轴范围为-24V-60V；由图2，第一路信号与第二路信号之间的时延为462.8μs(即t1＝462.8μs)，第二路信号与第三路信号之间的时延为584.9μs(即t2＝584.9μs)，实际上，本发明中两个集成单稳态触发器采用两个CD4098芯片，两路信号与第一路信号之间的时延在50μs至35ms之间连续可调。
图3为图2中的第一路信号在时间轴(-45μs-75μs)上的展开波形，第一路信号的电压幅值为12V，脉冲宽度为31.9μs；图4为图2中的第二路信号在时间轴(420μs-540μs)上的展开波形，第二路信号的电压幅值为12.1V，脉冲宽度为37.7μs；图5为图2中的第三路信号在时间轴(1.00ms-1.12ms)上的展开波形，第三路信号的电压幅值为11.9V，脉冲宽度为33.9μs。可见，基于本发明的实施例1可实现对三路晶闸管的精确控制，证明本发明能够应用在采用多路大功率晶闸管串并联的脉冲功率系统中。
以上所述仅为本发明的一种实施例而已，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 (10)

1.一种驱动多路晶闸管的触发控制器，其特征在于驱动多路晶闸管的触发控制器由光接收模块、N个金属-氧化物半导体场效应晶体管即MOSFET驱动器、N个功率MOSFET、(N-1)个集成单稳态触发器组成；N个MOSFET驱动器记为第一MOSFET驱动器、第二MOSFET驱动器、……、第nMOSFET驱动器、……、第NMOSFET驱动器；N个功率MOSFET记为第一功率MOSFET、第二功率MOSFET、……、第n功率MOSFET、……、第N功率MOSFET；(N-1)个集成单稳态触发器记为第一集成单稳态触发器、第二集成单稳态触发器、……、第(n-1)集成单稳态触发器、……、第(N-1)集成单稳态触发器；2≤n≤N；N为正整数；
光接收模块、第一MOSFET驱动器与第一功率MOSFET构成第一路信号传输通道；光接收模块、第一集成单稳态触发器、第二MOSFET驱动器以及第二功率MOSFET构成第二路信号传输通道；光接收模块、第二集成单稳态触发器、第三MOSFET驱动器以及第三功率MOSFET构成第三路信号传输通道；……；光接收模块、第(n-1)集成单稳态触发器、第n MOSFET驱动器以及第n功率MOSFET构成第n路信号传输通道……；光接收模块、第(N-1)集成单稳态触发器、第NMOSFET驱动器以及第N功率MOSFET构成第N路信号传输通道；第一路信号传输通道用来触发外部脉冲功率系统中的第一晶闸管S1，第二路信号传输通道用来触发外部脉冲功率系统中的第二晶闸管S2，第三路信号传输通道用来触发外部脉冲功率系统中的第三晶闸管S3，……，第n路信号传输通道用来触发外部脉冲功率系统中的第n晶闸管Sn，……，第N路信号传输通道用来触发外部脉冲功率系统中的第N晶闸管SN，N路信号传输通道共用光接收模块；
第一路信号传输通道中，光接收模块是一个光-电转换模块，与第一MOSFET驱动器相连，外接同步信号源，接收同步信号源产生的光脉冲信号，并将接收到的光脉冲信号转换为一个脉冲弱电流信号传递给第一MOSFET驱动器；第一MOSFET驱动器与光接收模块和第一功率MOSFET相连，将从光接收模块接收到的脉冲弱电流信号放大为脉冲大电流信号并将脉冲大电流信号发送至第一功率MOSFET；第一功率MOSFET与第一MOSFET驱动器和外部脉冲功率系统中的第一晶闸管S1相连，将从第一MOSFET驱动器接收到的脉冲大电流信号转换为更高强度的脉冲大电流信号，第一功率MOSFET的输出端作为第一路信号传输通道的输出端，将更高强度的脉冲大电流信号发送给外部脉冲功率系统中的第一晶闸管S1，用于触发第一晶闸管S1；
第二路信号传输通道中的第一集成单稳态触发器与光接收模块、第二MOSFET驱动器相连，是一个具有延时功能的元件，它将从光接收模块接收到的脉冲弱电流信号进行延时，向第二MOSFET驱动器输出相对第一路信号传输通道具有时延为t1的脉冲弱电流信号；第二MOSFET驱动器与第一集成单稳态触发器和第二功率MOSFET相连，将从第一集成单稳态触发器接收到具有时延为t1的脉冲弱电流信号放大为具有时延为t1脉冲大电流信号并将具有时延为t1脉冲大电流信号发送至第二功率MOSFET；第二功率MOSFET与第二MOSFET驱动器和外部脉冲功率系统中的第二晶闸管S2相连，将从第二MOSFET驱动器接收到具有时延为t1的脉冲大电流信号转换为更高强度的具有时延为t1脉冲大电流信号，第二功率MOSFET的输出端作为第二路信号传输通道的输出端，将更高强度的具有时延为t1脉冲大电流信号发送给外部脉冲功率系统中的第二晶闸管S2，用于触发第二晶闸管S2；
第三路信号传输通道中的第二集成单稳态触发器与光接收模块、第三MOSFET驱动器相连，第二集成单稳态触发器与第一集成单稳态触发器完全相同，它将从光接收模块接收到的脉冲弱电流信号进行延时，向第三MOSFET驱动器输出相对第一路信号传输通道具有时延为t2的脉冲弱电流信号；第三MOSFET驱动器与第二集成单稳态触发器和第三功率MOSFET相连，将从第二集成单稳态触发器接收到具有时延为t2的脉冲弱电流信号放大为具有时延为t2脉冲大电流信号并将具有时延为t2脉冲大电流信号发送至第三功率MOSFET；第三功率MOSFET与第三MOSFET驱动器和外部脉冲功率系统中的第三晶闸管S3相连，将从第三MOSFET驱动器接收到具有时延为t2的脉冲大电流信号转换为更高强度的具有时延为t2脉冲大电流信号，第三功率MOSFET的输出端作为第三路信号传输通道的输出端，将更高强度的具有时延为t2脉冲大电流信号发送给外部脉冲功率系统中的第三晶闸管S3，用于触发第三晶闸管S3；
按照与第三路信号传输通道相同的连接方式，第n功率MOSFET的输出端作为第n路信号传输通道的输出端，将相对第一路信号传输通道具有时延为tn-1脉冲大电流信号发送给外部脉冲功率系统中的第n晶闸管Sn，用于触发第n晶闸管Sn；……；第N功率MOSFET的输出端作为第N路信号传输通道的输出端，将相对第一路信号传输通道具有时延为tN-1脉冲大电流信号发送给外部脉冲功率系统中的第N晶闸管SN，用于触发第N晶闸管SN。
2.如权利要求1所述的一种驱动多路晶闸管的触发控制器，其特征在于所述光接收模块与外部同步信号源之间通过光纤连接。
3.如权利要求1所述的一种驱动多路晶闸管的触发控制器，其特征在于所述光接收模块由光接收器和具有电平转换和功率放大功能的场效应晶体管连接而成。
4.如权利要求3所述的一种驱动多路晶闸管的触发控制器，其特征在于所述光接收器采用HFBR2412芯片，所述场效应晶体管采用2SK2742芯片。
5.如权利要求1所述的一种驱动多路晶闸管的触发控制器，其特征在于所述N个MOSFET驱动器均采用TC4424芯片，所述(N-1)个集成单稳态触发器均采用CD4098芯片，所述N个功率MOSFET均采用IRF740芯片。
6.如权利要求1所述的一种驱动多路晶闸管的触发控制器，其特征在于所述第一MOSFET驱动器与第一晶闸管S1之间、第二MOSFET驱动器与第二晶闸管S2之间、第三MOSFET驱动器与第三晶闸管S3之间、……、第nMOSFET驱动器与第n晶闸管Sn之间、……、第N MOSFET驱动器与第N晶闸管SN之间均采用隔离变压器进行电绝缘隔离。
7.如权利要求1所述的一种驱动多路晶闸管的触发控制器，其特征在于所述第一MOSFET驱动器与第一功率MOSFET之间、第二MOSFET驱动器与第二功率MOSFET之间、第三MOSFET驱动器与第三功率MOSFET之间、……、第n MOSFET驱动器与第n功率MOSFET之间、……、第NMOSFET驱动器与第N功率MOSFET之间采用隔离变压器进行电绝缘隔离。
8.如权利要求6或7所述的一种驱动多路晶闸管的触发控制器，其特征在于所述隔离变压器为变比为1：1的磁芯变压器。
9.如权利要求1所述的一种驱动多路晶闸管的触发控制器，其特征在于所述脉冲弱电流信号为5V/10mA量级，所述脉冲大电流信号为12V/2A量级，所述更高强度的脉冲大电流信号为12V/10A量级；所述时延t1、t2、……、tn-1、……、tN-1满足均大于等于50μs且小于等于35ms。
10.如权利要求1所述的一种驱动多路晶闸管的触发控制器，其特征在于所述触发控制器用金属外壳进行封装，并将金属外壳接地。
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