串聯晶閘管光纖隔離觸發系統設計及試驗

徐建霖，王 晨，甄洪斌，江壯賢

（1. 海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033，2. 中國電子科技集團公司第五十四研究所，石家莊 050081）

串聯晶閘管光纖隔離觸發系統設計及試驗

徐建霖1，王 晨2，甄洪斌1，江壯賢1

（1. 海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033，2. 中國電子科技集團公司第五十四研究所，石家莊 050081）

本文在闡述串聯晶閘管主要的觸發方式的基礎上，針對中壓直流斷路器中10kV脈沖電流回路開關

晶閘管 串聯 觸發電路 光纖 隔離

0 引言

隨著艦船電力系統向著綜合電力系統方向發展，電站容量急劇增大，電壓等級也將提高至5 kV等級甚至更高，對艦船電力系統保護設備提出了更高的要求[1-3]。因此，研制艦船用新型中壓直流斷路器非常必要，直流斷路器通常是通過向主回路注入一個反向脈沖電流來實現主電流過零分斷的。

中壓直流斷路器中脈沖電流回路的開關設計是中壓直流斷路器的關鍵技術之一。它的運行特點是電壓高（＞10 kV）、電流峰值大（＞10 kA）、電流上升率高（＞100 A/μs）、脈寬窄、能量釋放迅速[4-6]。晶閘管開關是較適合于用做斷路器中反向脈沖電流回路的開關，在直流斷路器中，考慮系統可能出現的過電壓（超過10 kV），仍然不得不采取多個晶閘管器件串聯來滿足斷態時的阻斷電壓需要[7-9]。因此，必須對串聯晶閘管的關鍵技術開展研究，其中觸發電路技術是其關鍵技術之一。

串聯晶閘管觸發電路的要求有：1）多路觸發信號同步性要求；2）每路觸發電路之間的絕緣要求；3）控制電路與高壓回路之間的絕緣要求。目前，常用的串聯晶閘管觸發方式有電磁觸發方式、光耦觸發方式、直接光觸發方式、光電觸發方式[10-12]。本文設計制作了一套采用低成本光收發模塊的光電觸發系統，試驗結果表明該系統滿足該串聯晶閘管的觸發要求，能夠可靠觸發，并且該系統結構簡單，易于實現，其高壓取能電路滿足小電流低功耗要求。

1 串聯晶閘管主要的觸發方式

電磁觸發方式是最常用的串聯晶閘管觸發方式，其工作原理是將低電平的觸發信號經脈沖隔離變壓器隔離后送到處于高電位的晶閘管門極。圖1為自制三路晶閘管觸發板電路圖，采用了電磁觸發方式。該方式優點很多，很好的實現了觸發脈沖信號的傳輸與高低回路的隔離，由于觸發系統從低壓回路取電，電壓穩定，不受晶閘管主回路的影響，因此能夠輸出較大功率的觸發信號，具有較好的可靠性。目前，國內生產的脈沖隔離變壓器耐壓已經達到30kV，可以應用于更高電壓等級的系統。

圖1 脈沖變壓器隔離觸發電路

1.2 光耦觸發方式

光耦觸發系統是將觸發脈沖經過光耦合器傳輸至高電位脈沖放大電路，脈沖放大后觸發晶閘管所構成的觸發系統。該方式可隔離上千伏高壓，但是當電壓繼續升高時則難以勝任。該方式仍采用全電路傳輸脈沖，脈沖傳輸受干擾問題不能從根本上解決。此外，有人將電磁觸發和光耦觸發結合在一起，在一些特殊工況下可能有優勢，但通常來說性價比不高。

1.3 直接光觸發方式

直接光觸發方式就是將觸發脈沖信號轉變為光脈沖，觸發高位直接光觸發晶閘管（LTT）。圖2為直接光觸發晶閘管實物圖。在直接式光觸發系統中，可控硅元件可以直接用一定波長、一定能量強度的光脈沖觸發導通，電觸發脈沖轉變為光脈沖后，經過光纖傳遞直接作用于可控硅元件門極，省去了高電位上的觸發回路和光-電信號的轉化電路，觸發的可靠性較高。目前，國內還沒有生產直接光觸發晶閘管的能力，經市場調查，有公司進口國外閥片進行封裝銷售，其產品斷態重復峰值電壓達到8 kV，不重復浪涌電流達到100 kA，具有很好的di/dt耐受能力。但是該型晶閘管價格是同規格普通晶閘管的4～6倍，比較昂貴，多應用于新型高壓脈沖電源系統。直接光觸發晶閘管是未來的發展方向。

圖2 直接光觸發晶閘管

1.4 光纖隔離觸發方式

光纖隔離觸發就是采用光纖通信技術，將低壓回路的電脈沖觸發信號通過光纖發送模塊轉換為光脈沖信號，通過光纖傳送到高壓側，再通過光纖接收模塊將光脈沖信號還原為電脈沖信號，經處理后送至晶閘管門極。該方式優點較多：易實現高壓晶閘管閥體的在線監測，系統具有理想的電磁抗干擾性能，能夠產生分散性小、前沿陡的門極觸發脈沖，有利于串聯晶閘管的同時觸發，可以采用普通的高壓晶閘管等。

2 串聯晶閘管光纖隔離觸發系統設計

串聯晶閘管作為高壓脈沖電源系統的理想開關，應用于中壓直流斷路器，該中壓直流斷路器高壓脈沖電源系統采用預充電到10kV的電容器組為電源，由串聯晶閘管控制電容向負載進行脈沖放電，其運行特點是電壓高，并且持續承受正向高壓，電流峰值大，電流上升率高，脈寬窄。基于以上特點采用晶閘管光纖隔離觸發優點很多，系統具有理想的電磁抗干擾性能，能夠產生分散性小、前沿陡的門極觸發脈沖，有利于串聯晶閘管的同時觸發，采用高壓取能電路能夠實現高低壓電磁隔離。

首先，事業單位各部門、人員要明確責任分工和權限，除了要設立部門責任制之外，還應將具體責任落實到個人。其次，各部門應帶頭細化單位內部的各類規章機制，強調細節管理，爭取每一環節都設有嚴謹的約束機制，為經費管控保駕護航。

晶閘管光纖隔離觸發系統主要包括閥基電子板(VBE)和晶閘管電子板(TE)兩大部分。本文設計制作了一套采用低成本光收發模塊的光電觸發系統，試驗結果表明該系統滿足該串聯晶閘管的觸發要求，能夠可靠觸發，并且該系統結構簡單，易于實現，其高壓取能電路滿足小電流低功耗要求。本文所研究的光纖隔離觸發系統的觸發的對象為3只額定6500 V/1300 A晶閘管。系統的原理如圖3所示，VBE板接收控制系統的觸發命令，將寬度為50 μs的TTL觸發信號轉換為光信號發送到光分路器，光分路器將光信號分為三路同時發送給三路TE板，再通過TE板將光信號轉換為電信號觸發晶閘管。

圖3 晶閘管光纖隔離觸發系統

閥基電子板（VBE）主要由觸發系統、監測系統及光電、電光轉換接口三部分構成，其中，觸發和監測部分主要由微處理芯片和可編程器件構成，光電、電光轉換部分主要由光電器件構成。

本文采用的是價格低廉的FBT多模光分路器，參數為工作波長850 nm，輸入輸出端1×3，分光比1：1：1。其功能為將VBE板的光觸發信號等分成3路光觸發信號發送給TE板。

晶閘管電子板（TE）位于觸發系統的高壓側，其功能有從高壓側取能為自身提供電源，接收VBE板光觸發信號并轉換為電信號進過處理后送到晶閘管門極觸發晶閘管。本文自制TE板主要由高位取能電路、光接收電路和門極觸發電路構成。

3 串聯晶閘管光纖隔離觸發系統試驗

根據中壓直流斷路器高壓脈沖電源系統的要求，按上述VBE板與TE板的功能和工作原理設計制作了一套完整的晶閘管閥組光電觸發系統，設計了模擬觸發實驗，并采用三只6500V/1300A高壓晶閘管串聯進行了觸發實驗。

由于本文設計的光纖隔離觸發系統高壓取能回路應用于10 kV串聯晶閘管組件。直接進行10 kV等級的觸發實驗，存在一定風險，因此設計了模擬觸發實驗，在低壓條件下獲取觸發信號波形，三路觸發信號同步性，觸發延時等參數，作為10 kV等級觸發實驗的基礎。

模擬觸發實驗電路如圖4所示。考慮到真空直流斷路器高壓脈沖電源電壓范圍8～12 kV，因此用2.6～4 mA電流源代替靜態均壓回路，用10 Ω電阻R代替晶閘管門極。實驗中調整電流源分別為2.5 mA、4 mA，給VBE板觸發信號，用示波器同時測量VBE板觸發信號與TE1、TE2、TE3板的J2端觸發信號。分析判斷觸發信號強度、同步性與延時等特性是否滿足要求。

圖4 TE板模擬觸發測試電路

本文制作了5套光纖隔離觸發系統。在輸入電流2.6～4 mA條件下，光纖隔離觸發系統輸入輸出波形如圖5所示，VBE為輸入電流波形，TE1、TE2、TE3為三路輸出電流波形。

圖5 實驗電流波形

串聯晶閘管觸發信號的同步性要求多路觸發信號具有相同的觸發強度，嚴格一致的上升沿。以下參數能夠作為觸發信號同步性的判斷依據。

1）觸發電流峰值Imax。該參數是觸發信號強度的主要依據。

2）觸發信號階躍時刻的最大時間差Δt′max與觸發信號達到峰值的最大時間差Δt′′max之和Δtmax，如圖6所示。該參數考慮了觸發信號兩個拐點影響，能夠很好反應觸發信號上升沿的差異。

圖6 觸發信號時間差定義

實驗測量5套光纖隔離觸發系統三路TE輸出電流的峰值Imax，脈沖寬度，電流上升到320 mA的時間tr，三路TE板輸出信號階躍時刻的最大時間差與觸發信號達到峰值的最大時間差之和Δtmax，VBE板信號峰值時間與TE板信號峰值時間的最大時間差Δt′。其結果如表1所示。

由表1實驗結果可知：

1）Imax的最小值為396 mA，最大值為536 mA，均高于參考值320 mA；tr最小值為0.55 μs，最大值為0.98 μs，范圍覆蓋了參考值0.7 μs。觸發脈沖寬度最大值為52.3μs，最小值為51.5μs，均大于50 μs。因此該系統觸發信號強度滿足晶閘管觸發要求。

表1 光纖隔離觸發系統實驗結果

2）Δtmax最大值為440 ns，遠大于晶閘管的上升時間。因此該觸發系統滿足觸發同步性要求。

3）VBE板信號峰值時間與TE板信號峰值時間的最大時間差Δt′最大值為2μs，最小值1.04 μs，該系統延時微秒級別，延時分散性小，因此滿足系統要求。 綜上，經過實驗測試對各系統TE板進行配對后，該觸發系統能夠滿足設計要求。將該觸發系統應用于中壓直流斷路器10 kV脈沖電源系統進行了串聯晶閘管組件觸發放電實驗，多次實驗均成功觸發，晶閘管均壓達到預期要求。

4 小結

針對中壓直流斷路器反向脈沖電流回路開關的要求，設計并制作了串聯晶閘管光纖隔離觸發系統，成功應用于中壓直流斷路器10 kV脈沖電流回路中。該系統采用低成本光收發模塊，結構簡單、容易實現、成本低，具有理想的電磁抗干擾性能，能夠產生分散性小、前沿陡的門極觸發脈沖，有利于串聯晶閘管的同時觸發。采用高壓取能電路能夠實現高低壓電磁隔離，通過模擬實驗驗證了系統的有效性與可靠性。

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Design and Test of Series Thyristor Optical Fiber Isolation Trigger System

Xu Jianlin1, Wang Chen2, Zhen Hongbin1, Jiang Zhuangxian1

(1. Electrical Engineering Institute, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. The 54th Research Institute
of CETC, Shijiazhuang 050081, China)

This article described the main trigger mode of series thyristor, and designed a series thyristor optical fiber isolation trigger system according to the request of development of 10kV Pulse current circuit switch in medium voltage DC circuit breaker. At the same time it carried out the research in series thyristor trigger circuit. The validity and reliability of the trigger system was proved by simulation experiment.

thyristor; in series; trigger circuit; optical fiber; isolation

TM471

A

1003-4862（2016）12-0010-04

2016-07-08

國家自然科學基金（51207166，51307179，51377166）。

徐建霖(1979-)，男，碩士，講師。研究方向：電力系統及其自動化。

的研制要求，設計了一套串聯晶閘管光纖隔離觸發系統，同時對串聯晶閘管觸發電路進行了研究，并且通過模擬實驗驗證了該觸發系統的有效性與可靠性。