高壓晶閘管串聯閥觸發電路的設計

0 引言

　　隨著柔性交流輸電和高壓直流輸電設備在電力系統中越來越多的應用，使晶閘管在高電壓大電流場合下的設計使用受到越來越多的關注。晶閘管串聯閥在工作時，為了延長晶閘管的使用壽命，防止由于個別晶閘管未開通或開通不一致而導致工作時部分晶閘管承受過高的電壓而擊穿，從而導致整個閥組的損壞，要求閥組中的每個晶閘管均能快速可靠開通，并且具有良好的開通和關斷一致性。這就要求晶閘管串聯閥具有良好可靠的觸發電路，能同時產生多路高尖峰脈沖，來驅動晶閘管串聯閥組中各個晶閘管快速可靠開通。

　　本文研究的內容就是一種在實際項目中應用的晶閘管閥組的觸發電路設計。

1 觸發電路設計

　　觸發脈沖電流的上升沿時間越短、峰值越大，晶閘管開通擴散的速度就越快，當所有晶閘管開通時間都大大縮短后，晶閘管之間開通的相對一致性就大大提高，從而降低了串聯閥中個別晶閘管長時間承受過高電壓而損壞的幾率。

　　1.1 觸發電路組成與工作原理

　　觸發電路結構圖如圖1 所示，主要包括如下幾個部分。

　　1）單相隔離供電變壓器T1 變比為AC220/AC220、一次側與二次側間絕緣電壓35 kV，為脈沖回路提供產生脈沖電流所需的能量。

　　2）充電限流電阻R3 限制電容C1的充電電流。

　　3）防反流二極管D0 防止電容C1向變壓器T1倒送能量。

　　4）儲能脈沖電容器C1 儲存產生脈沖所需的能量，最高充電電壓Uc可達310 V。

　　5）阻容回路部分的R2和C2 起調整脈沖波形形狀的作用。

　　6）脈沖CT 變比20/1，通過脈沖CT 形成最終觸發脈沖。

　　7）放電電阻R1 限制放電電流。

　　8）非線性電阻R4 其轉折電壓為400 V，用于保護MOSFET。

　　9）脈沖信號板用來接收控制器通過光纖發來的脈沖光信號，經過光電轉換，驅動MOSFET（IRFP460）開通與關斷，使電容C1 受控制器的控制進行放電。脈沖信號板從變壓器T1 二次側取能，通過單相變壓器AC220/AC20，經過整流濾波，由7805 和7812 輸出穩定的+5 V和+12 V電源，為脈沖信號板提供供電電源。

　　10）BOD 模塊用來保護晶閘管在承受過電壓時觸發導通，防止晶閘管被高壓擊穿。

　　觸發電路工作原理：隔離變壓器T1 一次側接AC220 V電源，二次側通過電阻R3和二極管D0向電容C1充電，當C1上的電壓達到峰值AC220 V，即310 V 左右時，二極管反向截止，電容C1 上保持310 V左右的電壓。當控制器發出觸發脈沖信號，信號經過光纖傳導至脈沖信號板，經光電轉換后驅動MOSFET 開通，電容C1開始通過電阻R1放電，這樣就有瞬間大電流通過8 個接在晶閘管門極的CT，通過CT同時產生8 路晶閘管觸發電流信號。[3]

　　1.2 觸發電路的電位

　　在高壓條件下，晶閘管串聯閥的絕緣問題是非常重要的一個環節，如果絕緣問題處理不好，那將會嚴重影響設備運行的安全性與可靠性。

　　觸發電路的高電位部分和低電位部分之間的隔離主要是靠觸發CT 和穿過CT 的10 kV 絕緣的電流線，為了降低對觸發CT 絕緣等級的要求，減小在高壓條件下串聯閥主回路對脈沖回路的影響，同時降低對脈沖回路絕緣等級的要求，將變壓器T1 二次側的地直接接在晶閘管串聯閥的第4和第5 個晶閘管之間，即串聯閥主回路的中點電位，將脈沖回路的電位拉高至1/2 高電位，如圖1中標記為中點電位點的地方。從而使整個串聯閥結構的電位全部提高，這樣，絕緣的要求就加到隔離供電變壓器T1 的一次側和二次側之間，而這里選用的變壓器T1 的一次側與二次側絕緣水平達到35 kV，能夠很好的滿足10 kV 電壓等級的要求。這樣設計能夠大大降低串聯閥結構設計當中對絕緣的要求，也降低了對觸發電路的絕緣要求。

　　脈沖信號板的地與變壓器T1 一次側的中點電位點相連，使脈沖信號板的電位也拉到高電平，從而使脈沖信號板能夠在高電壓下可靠工作。

　　1.3 觸發電路參數對脈沖波形的影響

　　本設計中使用的晶閘管串聯閥是由8 支額定電壓6 000 V、額定電流1 000 A 的晶閘管串聯壓接成的，適用于10 kV電壓等級。觸發脈沖電流的產生是利用電容充電儲能后放電，形成尖峰大電流，再通過接在每個晶閘管門極上的脈沖CT轉換為觸發脈沖，來驅動晶閘管。影響觸發脈沖波形的因素主要有兩個方面：一是電容放電回路的寄生電感；二是觸發電路電阻、電容的參數配置。這里為了減小電容放電回路的寄生電感，放電回路的電阻采用無感電阻，大電流線走線方式采用往返走線，即大電流線穿過觸發CT后再按原路從CT外部折回，這樣走線的目的是為了最大限度地減小大電流線所圍的面積，以及最大限度地減小回路寄生電感。

　　觸發電路電阻電容參數對觸發脈沖波形的影響如下。各參數中對觸發波形影響較大的是放電電阻R1、阻容回路電容C2、儲能脈沖電容器的最高充電電壓Uc。R1阻值越小，脈沖峰值越高，上升沿越陡；阻容回路電容C2 越小，脈沖峰值越小；Uc值越高，脈沖峰值越高，上升沿越陡。阻容回路的工作原理如圖1 所示，當電容C1 充電儲能后，MOSFET 受控制信號的控制開通，C1 通過電阻R1瞬間放電，阻容回路中的電容C2 瞬間短路，將電阻R2 旁路掉，觸發脈沖瞬間上升，之后C1 開始向C2 充電，當C2 充電完畢，電阻R2 接入放電回路中，此時脈沖上升沿結束，脈沖電流開始減小。表1 是實驗中所選電路參數與所測得波形參數的對照表。需要說明的是，表1 中的波形上升時間為10%脈沖峰值電流到90%脈沖峰值電流時間。達到2A時間為電流從0耀2 A的時間。

　　由表1 中的數據分析可得如表2 所列的波形分析。

　　從表2 可以看出當C1、R1 不變，C2 減小時，脈沖波形的峰值電流減小、波形上升時間減小、電流達到2 A的時間增大、脈沖寬度增大；當C1、C2 不變，R1 減小時，脈沖波形的峰值電流增大、波形上升時間減小、電流達到2 A的時間減小、脈沖寬度減小；當R1 不變、C2 =1 滋F，C1減小時，脈沖波形的峰值電流不變、波形上升時間不變、電流達到2 A的時間不變、脈沖寬度減小；當R1 不變、C2 =0.5 滋F，C1減小時，脈沖波形的峰值電流減小、波形上升時間減小、電流達到2 A的時間減小、脈沖寬度不變，可見C1 與C2 共同作用影響脈沖波形，但是C1的作用要弱。由表2 的分析對比可以看出C2、R1、C1的參數對脈沖波形的影響，要想得到圖2 所示的理想波形可以通過調整參數實現。另外提高C1的充電電壓也可以增大脈沖的峰值電流、減小電流達到2 A的時間。

觸發電路各個參數選擇的最終目標是輸出所需的觸發脈沖波形。根據不同條件的要求輸出不同的觸發脈沖，總的來說是要使串聯晶閘管快速可靠開通，對于觸發脈沖，要求其有一定的電流上升率di/dt>2 A/滋s；有一定的電流峰值Imax，其大小與晶閘管尺寸有關，一般幾英寸的管子就需要幾A

2 晶閘管串聯閥開通一致性

　　采用本文所設計的觸發電路可使晶閘管串聯閥導通的一致性大大提高。圖11 是串聯閥中7只晶閘管開通與關斷的電壓波形、圖12 是串聯閥中7 只晶閘管開通瞬間電壓波形，從圖中可以看出串2 晶閘管串聯閥開通一致性采用本文所設計的觸發電路可使晶閘管串聯閥導通的一致性大大提高。圖11 是串聯閥中7只晶閘管開通與關斷的電壓波形、圖12 是串聯閥中7 只晶閘管開通瞬間電壓波形，從圖中可以看出

3 結語

　　通過實驗驗證，本觸發電路設計能夠大大提高串聯晶閘管的開通一致性，觸發脈沖到達2 A電流的時間已達到1.3 滋s，并且觸發電路運行穩定可靠，已通過了國家標準要求的串聯閥型式試驗。該設計大大延長了晶閘管的使用壽命，配合BOD模塊，使串聯閥能夠在高電壓大電流條件下長期穩定運行。