一种高压大电流光控固体电子放电开关

摘要：介绍了一种光控晶闸管放电开关，作为0．75 MJ电容型电源模块的主放电开关，它由6只国产大功率光控晶闸管串联组成，配有均压保护电路和触发单元，最高阻断电压为45 kV，最大放电电流为55．3 kA。该放电开关已成功应用于生产，各项技术指标均达到设计要求。
关键词：光控晶闸管；高压大电流；放电开关

1 引言
在大功率大电流脉冲电源系统中，常用闭合开关有交流接触器、带预设电阻的专用接触器和晶闸管电子开关等。其中晶闸管电子开关充分利用了晶闸管特性，可使电流从零快速上升到额定工作电流。断开时，晶闸管上的电流过零切除，可实现电容器投入无涌流、切除无过压、投切无电弧的快速动态补偿功能，能较好地解决电容器放电时产生的暂态冲击问题。这里介绍了一种晶闸管放电开关，用作0．75 MJ电容型电源模块的主放电开关，其最高阻断电压45 kV，最大放电电流55．3 kA。

2 晶闸管放电开关的设计
图1为0．75 MJ电容型电源模块简化等效电路。放电开关由6只国产大功率光控晶闸管串联组成，光控晶闸管采用光触发，保证了主电路与控制电路绝缘，故可避免电磁干扰，配有均压保护电路和触发单元，组成一个独立完整的固体开关，用一个小功率电信号(15 V／0．1 A)即可触发导通。因此广泛应用于高压大功率脉冲电路的控制。

2．1 电子开关的技术指标
规格25 kV／55 kA；额定工作电压25 kV；最大直流阻断电压为45 kV；最大放电电流大于55 kA(10 ms)；I2t积分值大于15．7×106 A2·s，具有静、动态均压及内部BOD保护电路；触发控制信号(15±2)V／100 mA，脉宽(20±2)ms；单脉冲放电，两连续工作脉冲间隔不小于10 min，自然冷却，模块结构。
2．2 原理与结构
固体电子开关电气原理图如图2所示。25 kV／55 kA／10 ms光控晶闸管放电开关由6只国产KL37WY8000型大功率光控晶闸管串联组成，包括静、动态均压电路及光控晶闸管触发器。用户只需(15±2)V／100 mAx20 ms的控制信号即可开通光控晶闸管放电开关(6只光控晶闸管同时开通)。由于串联器件存在开通时间及反向恢复电荷差异，在开通及关断过程中会出现瞬态电压分配不均衡。瞬态均压就是将瞬态均压分配不均衡造成的过电压抑制到允许值，其措施之一为在每只串联器件两端并联由Rb，Cb组成的RbCb阻容吸收电路，以便吸收瞬态过电压。电阻Rb用于抑制回路电感与电容Cb引起的振荡，并抑制晶闸管触发开通时Cb的放电电流。从抑制振荡及抑制开通放电电流考虑，希望Rb较大。但Rb较大时，Cb充电电流会在Rb上产生较高的电压值，使晶闸管遭受过电压，故Rb的选取要综合考虑这两方面因素。

3 电路主要参数的选择
3．1 光控晶闸管的选择：
光控晶闸管反向重复阻断电压为：
URRM≥UCMKAU／KUns (1)
式中：UCM为充电电容最高电压，UCM=25 kV；KAU为冗余度，KAU=1．3；KU为均压系数，KU=0．8；ns为光控晶闸管串联数量，ns=6。
可得URRM≈6．9 kV。根据固体电子开关其他技术要求，选用国产KL37WY8000型光控晶闸管，主要技术参数为：URRM=7．5 kV；ITAVM= 3．57 kA；ITSM=90 kA；I2t=40．5×106A2·s，可完全满足上述技术要求。
3．2 均压电阻选择
串联电力电子器件稳态均压是指器件处于正向或反向阻断时电压均衡。在串联器件处于阻断状态时，由于其伏安特性不一致，在直接串联时将分担不同的电压。稳态均压最常用的方法是给每只串联器件并联一只均压电阻Rp。为获得较好的稳态均压，Rp中的电流应大于串联器件的漏电流。Rp的大小取决于串联器件的漏电流值及它们的漏电流之差，当漏电流差值小时，Rp可取较大的值。若不考虑串联器件漏电流差异，则Rp为：
Rp≤(1／KU-1)URRM／IRRM (2)
式中：URRM为额定重复峰值电压；IRRM为额定重复峰值电压为URRM时的漏电流。
可得Rp≤93．75 kΩ，取Rp=91 kΩ。RP的功率PRp≥(UCMns)2／Rp，可得PRp≥190 W，取PRp=250 W。
3．3 RC动态均压参数的选择
当串联光控晶闸管采用门极强触发时，反向恢复电荷差异造成的关断过电压成为瞬态均压的主要问题。则串联光控晶闸管承受的最大关断过电压(单位V)为：
△Umax=△Qmax／Gb (3)
式中：△Qmax为串联光控晶闸管间反向恢复电荷的最大差值，单位μC；Cb为瞬态均压电容器的电容量，单位μF。
减小关断过电压的有效措施为选择反向恢复电荷值基本一致的光控晶闸管构成串联臂。则有：

式中：为换相电压，其最大值为变压器输出侧线电压峰值，单位V。
可得Cb=0．47μF，Cb耐压选为8 kV。由经验选择Rb=15 Ω。Rb的功率PRb=fCb(UAM／ns)2=200 W。

4 实 验
该光控晶闸管放电开关于2010年3月交付用户使用并通过了专家组验收。图3为该放电开关在实际放电过程中实测波形，当储能电容电压达到25 kV时放电电流峰值达到55．3 kA，完全达到设计要求。经一段时间的实际应用，证明该光控晶闸管放电开关比以往的普通晶闸管放电开关在抗电磁干扰和可靠性方面性能更佳。

5 结论
介绍了光控晶闸管放电开关的结构和工作原理，分析了电子开关的设计要求，采用RbCb阻容吸收电路来吸收瞬态过电压，且给每只串联的器件并联一只均压电阻，稳态均压效果较好。理论分析和实测结果验证了该方案的有效性和实用性。