快速晶闸管在加速器电源系统中的应用

摘要：介绍了快速晶闸管在所研制的加速器电源系统中的应用,分析并解决了快速晶闸管的触发驱动、过压过流保护等问题。

关键词：快速晶闸管；加速器电源；脉冲功率技术

1 引言

脉冲功率技术是一种能量密度“压缩”技术,它通过开关的瞬时导通把较长时间内储存的能量在很短的时间(μs或ns量级)内释放出来,形成幅度达数十kA甚至数百kA的强电流脉冲。脉冲功率技术对放电开关的要求是开关的动作速度必须很快，额定电流大，导通时开关的导通电阻要小。早期采用汞引燃管，火花隙等作放电开关。随着电力电子技术的发展，先是出现了普通晶闸管，但普通晶闸管的开通时间和关断时间都很长，特别是当负载为感性时,普通晶闸管的开通时间甚至需要几百μs，关断时间也需要几百μs。这在要求重复频率达200Hz的加速器电源上是无法使用的。随着导通时间和关断时间都在10μs以下的快速晶闸管的出现，特别是大电流快速晶闸管的成功研制，使得这种电力电子器件能够进入大电流快速放电开关的领域，并逐渐显示其优越性。本文介绍快速晶闸管KK400和KK1000在某加速器电源系统中的应用。

2 系统基本原理

整个电源系统输出电流脉冲的重复频率为200Hz，在系统开始工作前，先要通过普通变压器T₁为脉冲电容器C₂预充电到400V，以后便可断开普通变压器T₁进行重复频率运行。图1是系统原理图，电路工作原理如下。

图1 系统工作原理

1）预充电过程三相交流电经半波整流对电解电容C₁经限流电阻R₁预充电到250V，然后改由快速晶闸管KK₀对电解电容C₁直接充电到310V。在电解电容C₁充电时，A相电压经变压器升压全桥整流后经限流电阻R₂对脉冲电容C₂充电到400V。预充电结束后变压器通过继电器与脉冲电容器隔离。

2）重复频率工作过程C₂对变压器T₂放电，快速晶闸管KK₃过零关断，电容C₂上的剩余电压反向。利用KK₂导通，C₂、L谐振实现电容C₂上电压再次反向，电压极性恢复到初始状态，但幅度已减小。再导通KK₁通过L、C₂的谐振使C₂上电压幅度也恢复到初始状态，电源工作的一个周期完成。又可开始下一个周期的工作。

3 系统中快速晶闸管的选用

KK₀选择通态电流为400A的快速晶闸管（KK400）三只，分别用作A、B、C三相电路的整流管，KK₁和KK₂都是六只通态电流为1000A的快速晶闸管（KK1000）并联使用，KK₃是十只通态电流为1000A的快速晶闸管（KK1000）并联使用。

从图1可见，除KK₀外，KK₁、KK₂、KK₃的负载都是感性负载。在本系统中晶闸管KK₀的触发信号由对应相经半波整流提供，当某相电压高于电容C₁上电压时，则那一相晶闸管就导通，直接对电容C₁充电。快速晶闸管KK₁、KK₂、KK₃的触发信号由计算机内控制板卡定时给出。根据图1分析知，必须保证三组晶闸管的可靠转换，即KK₃导通截止后，再导通KK₂，KK₂截止后再导通KK₁，KK₁截止后再导通KK₃。如此电源作重复频率运行，当电源运行在重复频率达200Hz时，这样一个工作周期仅5ms，KK₁、KK₂、KK₃的换相都是采用负载换相，即当快速晶闸管中电流下降为零时，晶闸管承受反向电压自然关断。因此晶闸管的开通时间和关断时间都必须很小，普通晶闸管是满足不了要求的。

4 快速晶闸管触发电路设计

图2是快速晶闸管KK₀的触发电路。KK₀的触发是利用电源电压经二极管D整流实现同步触发。这样当某相电压高于电容C₁上电压时，触发极与阴极间也承受正向电压，晶闸管触发导通，实现对电容C₁上能量的快速补充。电容充电回路中不加限流电阻一方面保证了电容C₁上电压的快速恢复到310V左右，另一方面电容C₁上电压的迅速上升避免了触发极与阴极间电压过高而损坏晶闸管。

图2 KK₀触发电路

图3是快速晶闸管KK₁、KK₂、KK₃的触发电路。由于KK₁、KK₂、KK₃的触发信号由计算机内控制板卡上的8253定时/计数芯片产生，为了将产生触发信号的计算机与主放电回路在电气上隔离，系统设计采用了两级脉冲变压器隔离。一级用于将计算机输出的低压小功率信号经功率放大、脉冲变压器隔离实现触发功率的放大，再提供给第二级并联的6个（触发KK₁、KK₂）或10个（触发KK₃）降压脉冲变压器触发各个并联的晶闸管。通过两级隔离一方面实现了计算机与主放电回路在电气上的隔离，另一方面实现了功率放大，满足了多只晶闸管并联运行触发功率的要求。

图3 KK₁、KK₂、KK₃触发电路

5 快速晶闸管应用中几个问题的解决

5．1 快速晶闸管触发驱动问题

本系统中由于感性负载的存在（其中KK₂的负载为纯电感），阳极电流上升率慢。因此虽然我们已选择了导通时间小于4μs的快速晶闸管，但为了保证系统的安全可靠运行，设计触发系统时仍适当加大了触发脉宽和触发电压。实验证明10μs的触发脉宽，7V的触发电压能保证系统中晶闸管的可靠触发。