串聯晶閘管同步導通設計研究

廉龍飛 韓薇 王旭梅

摘 要：晶閘管導通能力強，但是耐壓性較弱，隨著高壓與特高壓在工業領域的廣泛應用企業多采用晶閘管串聯的方式以此來增加晶閘管的抗壓性。我們利用MOSFET的快導通和通流能力強的特點，搭建了一套實現光纖控制的四只晶閘管同步導通的強觸發平臺，而且對這套系統進行了間接光觸發系統的設計結構，經過測試表明，晶閘管觸發時延和門極觸發電流相關，觸發電流峰值越大，前沿小，導通越快，時延越小。

關鍵詞：串聯晶閘管；導通；實驗；設計；電壓

我們知道當前主流的晶閘管單只耐壓不高，在斷態下峰值電壓為2.5～3KV，如果使用有更高耐壓性的晶閘管造價比較高，因此非常有必要拓展晶閘管的耐壓性。通常的方法是串聯幾個晶閘管來提高耐壓性，但是串聯后的晶閘管開通時間不一致，導致動態分壓不均衡，晶閘管的通態電阻是毫歐級別，斷態電阻是兆歐級別，就讓先后導通的晶閘管承受的電壓不同，就會發生單個晶閘管受壓過大，造成串聯晶閘管的失效。因此晶閘管靜態均勻保護和動態緩沖保護研究就十分的必要。同步強觸發是正晶閘管串聯動作一致性的重要環節，我們將設計一種晶閘管強觸發電路用于測試這種電路的穩定性。

一、晶閘管強觸發電路設計

1.間接光觸發系統

電磁觸發的抗干擾能力比較弱，間接光觸發可以隔離高壓側對低壓側的電磁干擾。其原理在串聯的晶閘管觸發信號由一個初始控制信號控制，經過光電轉換傳輸觸發信號，進而產生脈沖電流，最終實現晶閘管導通。（見圖1）

觸發系統主要由觸發信號產生電路、光信號發送接收電路，光電轉換電路，高電位觸發脈沖形成電路等。控制電路產生的觸發信號經光纖傳輸給觸發電路板，觸發電路板產生脈沖經過脈沖變壓器同時傳輸給四個晶閘管，完成電路的導通。觸發電路板和隔離變壓器進行直流供電。

2.強觸發電路設計

在晶閘管的實際使用中當毫秒級的高壓會讓導通區域局部過熱而燒毀晶閘管，為了提高導通性，設計了晶閘管強觸發電路，我們利用MOSFET的快開導通和強通流能力的特性，設計了一種MOSFET的觸發導通電路（見圖2），當MOSFET觸發導通后，被充電模塊的主電容C放電產生脈沖電流作用在晶閘管的門極上，直流電源給電容C充電，當電容接收到控制模塊觸發信號后，MOSFET導通，電容對脈沖變壓器對晶閘管的門極和陰極放電，最終脈沖電流給晶閘管進行觸發。

二、晶閘管被觸發電流的導通過程

晶閘管導通過程存在著開通時延和觸發時延，開通的時延與晶閘管本身的工藝相關，不作為我們討論的對象，同一批晶閘管的觸發時延時不一致的，為了提高四只晶閘管導通的同一性，我們必須對多只晶閘管進行統一性的測試，篩選出觸發時延相近的晶閘管進行串聯。我們指導晶閘管的導通合格內部載流子的擴散運動相關，提高載流子的密度就可以增加反饋電流的基準值，減小反饋次數從而縮短晶閘管的導通時間。觸發脈沖的前沿增大可以加快導通區的擴散，進而縮短晶閘管的開通時間，因此我們要控制觸發極電流的幅值和前沿來調整串聯晶閘管的觸發時延，進而讓四個晶閘管實現同步觸發。

1.晶閘管串同步導通特性

我們采用MOSFET快速導通芯片設計晶閘管強觸發導通電路圖（如圖3），RX作用在于調節原邊觸發電流幅值，起到控制和保護MOSFET。R1-R4調整觸發電流的幅值和前沿。次級串聯恢復二極管限制觸發電流的流向。在每個晶閘管的門極和陰極中間都會設置有瞬態抑制二極管，以穩定門極和陰極的過高電壓。

2.晶閘管串同步觸發測試

每一個晶閘管在串聯之前都要獨立的進行導通測試，保證導通時間相一致的晶閘管進行串聯，這是測試有效的前提條件。在實驗時我們將脈沖變壓器的原邊電流作為示波器的觸發條件，用于保證計時起點一致。我們要對觸發時延進行控制，調整脈沖變壓器次級電阻值來改變各自的觸發電流，讓導通曲線保持一致。通過實驗我們可以把四個晶閘管的導通時延控制在10ns級別，我們可以認為他們的導通是一致的。對于晶閘管的保護，串聯導通實驗不直接將四只晶閘管串聯在額定電壓上二是采用逐級梯度形式按順序分別調整，首先調整1、2號晶閘管串聯，能夠一致開通后，在進行1、2、3 號晶閘管的串聯，最后進行1、2、3、4號晶閘管的串聯同步導通。

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