20kV小電流可控硅固體開關的設計與制作

固體開關構成的固體繼電器(Solid State Re-lav，SSR)是利用現代微電子技術與電力電子技術相結合發展起來的一種新型無觸點電子開關器件。與傳統的電磁繼電器相比，它具有高穩定、高可靠、無觸點、長壽命等優點。

　　由于固體開關在加速器、雷達發射機、高功率微波、污染控制、醫用等軍民用領域具有較明顯的潛在優勢，美、英、日等國均對固體開關技術進行了大量研究。根據應用要求的不同，固體開關中單元功率器件也不盡相同。若要求固體開關具有很快的開關速度和高重復頻率，單元器件一般采用功率場效應管(Power M0SFET)或絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)。對單個脈沖放電或低頻充放電時所用的開關，用可控硅串聯即可實現。

　　可控硅是以“小控制大”的功率開關器件，用一個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、長壽命等優點。為了降低串聯的可控硅數量，應盡可能地選取耐壓較高的可控硅，同時綜合考慮價格因素。我們選取了意法半導體(ST)的可控硅TYNl225，單管耐壓可達l 200V，且價格便宜。

　　本文通過脈沖變壓器隔離控制28個串聯可控硅(TYNl225)，得到了 20 kV小電流開關，對固體開關的串聯技術進行了試驗研究，并討論了串聯電路所涉及到的觸發信號的高壓隔離技術、驅動信號同步技術以及功率器件的動態靜態均壓技術。實驗電路如圖1所示。

　　1 串聯開關的驅動(控制)電路

　　為保證同步觸發，系統中所有開關的觸發信號必須來自同一個信號源。 手冊給出使TYNl225導通的門極閾值電壓Vgt低于1.5V，閾值電流Igt低于40mA。它可直接用變壓器觸發，不需額外的驅動電路。當撤掉晶閘管門極觸發信號后，要使它保持導通，流經它的電流必須大于某個值，這個值就是它的維持電流。在本實驗中晶閘管導通時，電流最高僅為1mA，低于TYN1225的維持電流(幾十個mA)，因此采取的方式是觸發信號到來之后始終加一直流電壓在它的門極來驅動保持其導通。

　　本實驗的控制信號由信號發生器提供，信號發生器輸出50 kHz的方波，經過功率MOSFET/IGBT驅動芯片IXDN414得到同頻率的驅動信號來驅動MOSFET APT10026，隨著APTl0026的通斷，變壓器的初級上產生近似方波的信號，由于變壓器各個次級繞組完全一致，所以，在次級得到一致的多個信號來控制串聯的可控硅同步導通。

　　IXDN414是lXYS公司出品的高速MOSFET/IGBT門極驅動器，它的輸入兼容TTL與CMOS信號。本設計中通過凋節信號發生器的輸出方波的幅度來控制IXDN414的輸出。當信號發生器輸出的方波幅值存IXDN414輸入端的低電平范圍內時，IXDN414的輸出始終為低電平;調節信號發生器，使輸出幅值進入IXDN414輸入端的高電平范圍，IXDN414便輸出50 kHz的方波信號，此信號驅動APT10026，變壓器的初級上便有了圖2所示的驅動信號。

　　2 變壓器設計

　　在脈沖變壓器隔離控制的可控硅固體開關中，變壓器的設計非常重要，要求次級信號嚴格一致。當變壓器初級有了圖2所示的方波信號時，由于變壓器的漏感漏電容的存在，次級繞組的電壓波形如圖3所示，它與圖2有稍許差異。當它經橋堆整流時，在每個橋臂上均會產生一定壓降，經過晶閘管門極限流電阻后，可控硅門極的電壓不到1 V(對陰極)，實驗證明這個電壓能很好地促使可控硅保持導通。

　　為了保證驅動信號的一致性，應盡量減少各種分布參數的影響。選取合適的磁芯，減少變壓器繞組匝數是一種方法。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。我們設汁的變壓器處、次級匝數比為4：1，初級有4匝，因而次級只用了l匝。實驗證明這樣非常好地保證了次級繞組的一致性，同時由于線圈的減少也有效地控制了變壓器的體積。變壓器的初級電感量必須足夠大，如果感抗太小，遠低于負載等效阻抗，可以看作近似短路，將會燒毀前面的APT10026。實際制作的變壓器初級電感Lp在50kHz時大約為600μH。不考慮漏感等影響因素，感抗ωLp=2π50k600μH=60πΩ。

　　當可控硅導通不一致時，會出現一種情況：高壓源直接加于變壓器的兩組次級繞組上。這就要求變壓器初級和次級間、各次級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次級繞組間耐壓設汁為21 kV，可以承受電源最大電壓，這就保證了變壓器不會被擊穿。

　　3 可控硅的串聯與實驗結果

　　實驗原理如圖4所示，串聯的可控硅用兩個開關SW1和SW2表示，首先，控制器控制SW0閉合，SW1和SW2斷開，高壓直流電壓源HV對電容C1充電;然后控制器斷開SW0，閉合SW1和SW2，電容C1對負載Rl與R1放電。這樣在控制器的控制下，就可以周期地對C1充放電。R1遠小于Rl，起分壓作用，便于測量波形。SW1和SW2導通時，R1上的電壓波形特征即反映了開關導通特性。

　　要得到耐壓20kV的開關，其電流約l mA。TYNl225的通態平均電流可達16A，完全滿足開關對電流的要求，我們要做的是將多個TYNl225串聯起來提高耐壓。考慮到降額使用，每個管子的工作電壓取其標稱值的60～70%，再加上串聯系統中的冗余設計，串聯管子的數量應適當增加。

　　實驗時，沒有沒置原理圖中的SW0、R0和C1等組件，用高壓直流電源直接加于串聯的可控硅及負載電阻的兩端，略去了R1，直接用高壓探頭測量RL上電壓波形。測量了串聯開關單次導通時負載電阻RL上的電壓波形。

　　圖1中Rp為靜態均壓電阻，Ds、Rs、Cs構成動態均壓網絡。由于阻斷狀態下各可控硅的阻斷電阻存在較大差異，Rp的作用就是在正向阻斷狀態下，完成各可控硅的直流均壓，要求其阻值遠小于開關管的泄漏電阻，同時兼顧其功耗。實際使用中，也并非所有管子的Rp都完全同樣大小，必要時應該在實驗中根據每只管子的性能差異進行合理地調整。同時，又因為可控硅工作在開關狀態，增加了出現電壓不均現象的可能性，特別是開通和關斷的時間不一致，最后開通或關斷的管子將獨自承受高壓。動態均壓網絡可以用來解決電壓不均問題，實質上就是利用電容Cs兩端電壓不能突變的特性使得每只管子所承受的瞬態電壓分配均勻。因此要求Cs的值比可控硅陽極和陰極間的結電容大得多。

　　如圖1所示，變壓器次級接全橋整流電路，每個橋臂均采用超快恢復二極管UF4007，整流橋后接電容C2-1到C2-28濾波。電容C2-1到C2-28需要取一個合適的值。當取值太小時，在可控硅的門極得不到足夠大的驅動電壓使其導通;取值太大時，由于電容本身固有的誤差較大，很難保證其值大小完全相同，會導致可控硅門極電壓上升時間不一致，也就使可控硅不能一致導通。

　　實驗中，先在低壓電源下測試串聯可控硅的導通一致性。首先運用少量可控硅串聯進行實驗，以獲取導通時的負載波形。8個管子串聯，濾波電容C2取10μF，觸發信號到來之后，圖5(a)為負載電阻上的電壓波形，可以明顯地看出可控硅的導通嚴重不一致，從開始導通到完全導通用時超過了7μs;電容取O.1μF后，管子能很好地一致導通，如圖5(b)所示。

　　將28個可控硅串聯起來，逐步抬高電源電壓值進行測試。串聯的可控硅均能很好地導通，隨著電源電壓的抬高，其上升時間也會逐漸降低。當HV=20kV時，觸發信號使能后，負載電阻RL上的電壓波形如圖6所示，示波器記錄上升時間Tr=164.8 ns，低壓375V系未導通時電源電壓HV在負載RL的分壓，靜態時的漏電流很小，I漏=375/20MΩ=18.75μA。

　　4 結語

　　本文成功地進行了多個可控硅串聯作20 kV開關的實驗。實驗結果表明，用多個普通可控硅串聯起來作低成本、低頻率的高壓開關是可以實現的。今后將在開關的可靠性方面做更大的努力，并研究通過光隔離控制多個串聯的功率開關，設計出更高電壓的大功率同體開關，并用單片機或PC機取代實驗中所用的信號發生器來實現程控開關功能。