- 小電流可控硅固體開(kāi)關(guān)的研制
- 串聯(lián)開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)(控制)電路
- 變壓器設(shè)計(jì)
由于固體開(kāi)關(guān)在加速器、雷達(dá)發(fā)射機(jī)、高功率微波、污染控制、醫(yī)用等軍民用領(lǐng)域具有較明顯的潛在優(yōu)勢(shì)，美、英、日等國(guó)均對(duì)固體開(kāi)關(guān)技術(shù)進(jìn)行了大量研究。根據(jù)應(yīng)用要求的不同，固體開(kāi)關(guān)中單元功率器件也不盡相同。若要求固體開(kāi)關(guān)具有很快的開(kāi)關(guān)速度和高重復(fù)頻率，單元器件一般采用功率場(chǎng)效應(yīng)管(PowerM0SFET)或絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）。對(duì)單個(gè)脈沖放電或低頻充放電時(shí)所用的開(kāi)關(guān)，用可控硅串聯(lián)即可實(shí)現(xiàn)。
可控硅是以“小控制大”的功率開(kāi)關(guān)器件，用一個(gè)小的控制電流控制門極完成電路中電流控制作用，具有體積小、重量輕、低功耗、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)。為了降低串聯(lián)的可控硅數(shù)量，應(yīng)盡可能地選取耐壓較高的可控硅，同時(shí)綜合考慮價(jià)格因素。我們選取了意法半導(dǎo)體(ST)的可控硅TYNl225，單管耐壓可達(dá)l200V，且價(jià)格便宜。
本文通過(guò)脈沖變壓器隔離控制28個(gè)串聯(lián)可控硅（TYNl225），得到了20kV小電流開(kāi)關(guān)，對(duì)固體開(kāi)關(guān)的串聯(lián)技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并討論了串聯(lián)電路所涉及到的觸發(fā)信號(hào)的高壓隔離技術(shù)、驅(qū)動(dòng)信號(hào)同步技術(shù)以及功率器件的動(dòng)態(tài)靜態(tài)均壓技術(shù)。實(shí)驗(yàn)電路如圖1所示。
1串聯(lián)開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)(控制)電路
為保證同步觸發(fā)，系統(tǒng)中所有開(kāi)關(guān)的觸發(fā)信號(hào)必須來(lái)自同一個(gè)信號(hào)源。手冊(cè)給出使TYNl225導(dǎo)通的門極閾值電壓Vgt低于1.5V，閾值電流Igt低于40mA。它可直接用變壓器觸發(fā)，不需額外的驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)撤掉晶閘管門極觸發(fā)信號(hào)后，要使它保持導(dǎo)通，流經(jīng)它的電流必須大于某個(gè)值，這個(gè)值就是它的維持電流。在本實(shí)驗(yàn)中晶閘管導(dǎo)通時(shí)，電流最高僅為1mA，低于TYN1225的維持電流(幾十個(gè)mA)，因此采取的方式是觸發(fā)信號(hào)到來(lái)之后始終加一直流電壓在它的門極來(lái)驅(qū)動(dòng)保持其導(dǎo)通。
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本實(shí)驗(yàn)的控制信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器提供，信號(hào)發(fā)生器輸出50kHz的方波，經(jīng)過(guò)功率MOSFET/IGBT驅(qū)動(dòng)芯片IXDN414得到同頻率的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)MOSFETAPT10026，隨著APTl0026的通斷，變壓器的初級(jí)上產(chǎn)生近似方波的信號(hào)，由于變壓器各個(gè)次級(jí)繞組完全一致，所以，在次級(jí)得到一致的多個(gè)信號(hào)來(lái)控制串聯(lián)的可控硅同步導(dǎo)通。
IXDN414是lXYS公司出品的高速M(fèi)OSFET/IGBT門極驅(qū)動(dòng)器，它的輸入兼容TTL與CMOS信號(hào)。本設(shè)計(jì)中通過(guò)凋節(jié)信號(hào)發(fā)生器的輸出方波的幅度來(lái)控制IXDN414的輸出。當(dāng)信號(hào)發(fā)生器輸出的方波幅值存IXDN414輸入端的低電平范圍內(nèi)時(shí)，IXDN414的輸出始終為低電平；調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器，使輸出幅值進(jìn)入IXDN414輸入端的高電平范圍，IXDN414便輸出50kHz的方波信號(hào)，此信號(hào)驅(qū)動(dòng)APT10026，變壓器的初級(jí)上便有了圖2所示的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
2變壓器設(shè)計(jì)
在脈沖變壓器隔離控制的可控硅固體開(kāi)關(guān)中，變壓器的設(shè)計(jì)非常重要，要求次級(jí)信號(hào)嚴(yán)格一致。當(dāng)變壓器初級(jí)有了圖2所示的方波信號(hào)時(shí)，由于變壓器的漏感漏電容的存在，次級(jí)繞組的電壓波形如圖3所示，它與圖2有稍許差異。當(dāng)它經(jīng)橋堆整流時(shí)，在每個(gè)橋臂上均會(huì)產(chǎn)生一定壓降，經(jīng)過(guò)晶閘管門極限流電阻后，可控硅門極的電壓不到1V(對(duì)陰極)，實(shí)驗(yàn)證明這個(gè)電壓能很好地促使可控硅保持導(dǎo)通。
為了保證驅(qū)動(dòng)信號(hào)的一致性，應(yīng)盡量減少各種分布參數(shù)的影響。選取合適的磁芯，減少變壓器繞組匝數(shù)是一種方法。選取μr較大的磁芯，這樣單匝線圈的電感量比較大，就可以減少繞組匝數(shù)。我們?cè)O(shè)汁的變壓器處、次級(jí)匝數(shù)比為4：1，初級(jí)有4匝，因而次級(jí)只用了l匝。實(shí)驗(yàn)證明這樣非常好地保證了次級(jí)繞組的一致性，同時(shí)由于線圈的減少也有效地控制了變壓器的體積。變壓器的初級(jí)電感量必須足夠大，如果感抗太小，遠(yuǎn)低于負(fù)載等效阻抗，可以看作近似短路，將會(huì)燒毀前面的APT10026。實(shí)際制作的變壓器初級(jí)電感Lp在50kHz時(shí)大約為600μH。不考慮漏感等影響因素，感抗ωLp=2π50k600μH=60πΩ。
當(dāng)可控硅導(dǎo)通不一致時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一種情況：高壓源直接加于變壓器的兩組次級(jí)繞組上。這就要求變壓器初級(jí)和次級(jí)間、各次級(jí)相互之間均能夠承受足夠高的電壓。本文將變壓器任意兩個(gè)次級(jí)繞組間耐壓設(shè)汁為21kV，可以承受電源最大電壓，這就保證了變壓器不會(huì)被擊穿。
