水下等離子體聲源放電開關及控制電路設計*

周 進 李 亮 楊曉樂

（1.海軍702廠 上海 200434）（2.中國人民解放軍92785部隊 秦皇島 066000）（3.海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033）

1 引言

放電開關在水下等離子體聲源系統中不僅可以實現充電系統和放電系統的隔離，更重要的是它可以在控制電路的控制下實現放電時間的可控［1］。特別是利用編碼控制放電開關，可以實現有規律的放電，能產生攜帶編碼信息的聲脈沖，達到信息傳輸的目的。

2 基本原理

放電開關是連接儲能電容和放電電纜的重要裝置，它將儲能電容與放電回路隔離開，以保證儲能電容能順利完成充電，防止邊充電邊漏電的發生。同時放電開關可以精確控制放電系統的放電時機，只有當觸發放電開關時，儲能電容才與放電回路導通，存儲的能量迅速通過放電電纜和放電電極釋放［2］。瞬間的高電壓大電流使得在選擇和設計放電開關時，要充分考慮放電開關的耐高壓性、通流性和開關時間。

三電極火花隙開關和晶閘管開關常被用于聲源系統。三電極火花隙開關電流上升速率可達1 kA s，開關時間短且能承受高電壓（可達MV級）和大電流（可達MA級），開關結構簡單，使用比較廣泛［3］，如圖1所示。

由圖1可看出，當儲能電容C電壓為高壓U時，電壓不足以擊穿兩電極G1與G2使其導通，當觸發電路產生一個負電壓脈沖U1加載到G0電極時，G1與G0之間電壓差增大并且先行擊穿導通，這時G0上的電壓為U+U1，G0與G2之間距離較短且電壓增加，達到擊穿條件，G0與G2擊穿導通，這時間隙開關G1與G2導通。

圖1 三電極火花隙開關示意圖

晶閘管開關由半導體構成，半導體反應速度快開關時間短，且密閉干擾小。觸發信號可編碼控制，可實現放電的頻率調節，更好掌控放電時間。晶閘管開關相對于火花隙開關體積小，易于系統的小型化［4］。電壓和電流相比火花隙開關相對較小，但將晶閘管并聯、串聯使用，可以提高開關的通流能力和耐壓能力。

與三電極火花隙開關相比，晶閘管開關優勢明顯：

1）壽命長：三電極火花隙開關在導通時，會在電極間放電，三電極燒蝕嚴重，即使在電極端部使用銅鎢合金，也會由于氧化作用降低開關壽命。而晶閘管開關為半導體器件，半導體的固有特性，決定了晶閘管開關的使用壽命較長［5］。

2）可靠性高：三電極火花隙開關在導通瞬間，電極的機械觸點要承受大電流的沖擊、震動，使用次數過多后，機械觸點松動，晶閘管開關卻不存在這一缺點。

3）可編碼控制、觸發功率小：晶閘管開關使用邏輯電路控制，易于編碼控制，更適合于對聲脈沖編碼的要求，并且晶閘管開關的觸發電壓小，觸發功率低，相比于三電極火花隙開關的負高電壓觸發容易實現。

4）抗干擾能力強：晶閘管開關為半導體器件，結構密閉，受外界電磁干擾小，觸發電路與晶閘管之間使用光耦隔離，避免開關導通時對邏輯控制電路的影響。

5）體積小，便于設備的小型化。

根據上述優點，結合水下等離子體聲源發信特點，系統應選用容易實現編碼控制的晶閘管作為放電開關。

3 電路設計

通常耐壓較高的晶閘管被用于電路設計。但單個晶閘管耐壓受到一定限制，所以可以將多個晶閘管串聯作為開關使用，以提高整個放電開關的電壓等級。

晶閘管開關的串聯使用會導致晶閘管之間分壓不均，嚴重時甚至能造成晶閘管的擊穿損壞。為了解決這一問題，可以在選用器件時挑選參數盡量一致的晶閘管，同時還可以通過靜態保護和動態保護電路的方法來解決［6］。本文以基于放電電壓Uc=10kV的系統，分析并計算晶閘管開關及保護電路的具體參數。

3.1 晶閘管開關電路設計

晶閘管用做水下等離子體聲源放電開關時，由于放電電壓較大，如果僅使用一片晶閘管，這就要求晶閘管的額定電壓很大，然而額定電壓大的晶閘管生產工藝難度高，造價昂貴，而且市場上比較少見，因此在高電壓放電系統中，常常選用多個晶閘管串聯的方法來增加整個開關的耐壓。串聯晶閘管開關電路結構如圖2所示。

圖2 晶閘管串聯開關結構圖

控制電路在門極輸入信號，控制晶閘管導通，儲能電容的高電壓加載在晶閘管陰極與陽極之間，當導通時，電容通過晶閘管迅速放電，當放電后期電流小于晶閘管維持電流Ih時，晶閘管開關關斷，放電停止，儲能電容繼續充電，完成一個放電周期。

晶閘管串聯開關在使用時還要注意以下幾點：

1）門極加載觸發信號時間必須少于放電時間；晶閘管導通后要及時關閉觸發信號［7］。

2）由于晶閘管串聯開關在導通時所有串聯的晶閘管需要同步導通，所以要盡量減小串聯晶閘管的數量［7］，降低同步的困難。

3）串聯晶閘管存在靜態和動態分壓不均問題，需要保護電路來調節電壓平衡。

4）選用的晶閘管參數要盡可能地接近或者相同，這樣可以減小晶閘管串聯帶來的均壓不平衡問題。

晶閘管器件的過電壓能力較差，通常要降壓使用，以保護晶閘管不被損壞?？紤]到脈沖放電中的過壓問題，通常在電路設計中采用降壓措施。晶閘管額定電壓通過式（1）獲得［8］。以放電電壓Uc=10kV的聲源系統為例，由于串聯晶閘管的片數要盡量的少，當選取兩片晶閘管串聯作為放電開關時，可求得晶閘管額定電壓U為

根據式（1），算得5.5kV≤U≤6.5kV ，故選擇2片XFLJKP-400A7000V晶閘管串聯作為放電開關用于本電路設計。

3.2 靜態保護設計

串聯晶閘管開關處于斷態時，開關兩端承受放電電壓，由于器件的漏電電阻不同，導致晶閘管之間分壓不均衡。通過靜態分壓電阻Rp與晶閘管并聯的方式來維持電壓均衡，達到靜態均壓保護目的［9］，電路原理如圖3所示。

圖3 靜態保護示意圖

均壓電阻Rp要選擇適合的阻值，Rp不能太大，要遠小于晶閘管漏電阻，并聯后電壓才會取決于均壓電阻［10］。同時，Rp不能過小，否則漏電流過大，開關起不到關斷的作用。靜態均壓電阻計算公式為

式中UTn為晶閘管額定電壓，IDRM為斷態重復平均電流。式（2）的計算方法，只考慮晶閘管額定參數下的阻值，沒有考慮在實際應用中參數的變化，現實中選取計算后較大的阻值。

由于采用的晶閘管額定電壓為UTn=7000V，IDRM=10mA，可計算出均壓電阻為

實際使用的均壓電阻Rp=1MΩ。

3.3 動態保護

串聯晶閘管開關在處于開通狀態時，由于觸發信號存在微小時間差，或者晶閘管器件本身的開通時間不一致，造成晶閘管導通時間不同，雖然時間很短，但是在高壓系統中，會在后導通的晶閘管上產生瞬間高壓，當電壓過高，足以擊穿晶閘管，使開關損壞。通常采用阻容吸收電路或瞬態電壓抑制（TVS）電路，來解決動態分壓不均的問題，實現動態保護［11］。

RC吸收電路，就是通過在晶閘管兩端并聯電阻Rs和電容C組成動態均壓網絡，對晶閘管實行動態均壓保護［12］，如圖4虛線框部分所示。

圖4 RC吸收保護示意圖

當T1先開通時，電流流入RC吸收回路，加載在T2上的過壓分量就會很小，防止T2過壓較大而損壞。

吸收回路中電阻一般取10Ω～30Ω，電容的計算公式為

式（4）和（5）中，IT為晶閘管的額定電流，UTm為晶閘管開關兩端電壓，n為串聯晶閘管的個數，Uc為電容耐壓值。

選用的晶閘管IT=400A、UTm=10kV、n=2，可算得動態均壓電容 C=0.8μF～1.6μF ，電容的耐壓值Uc＞5kV 。根據計算，取 Rs=20Ω，C=1μF，Uc=5kV。

瞬態電壓抑制（TVS）電路，就是在晶閘管兩端并聯瞬態電壓抑制二極管［13］。

圖5 瞬態電壓抑制保護示意圖

如圖5所示，當晶閘管兩端電壓過大時，并聯在其兩端的瞬態電壓抑制二極管承受瞬時高電壓，二極管被反向擊穿，二極管阻抗立即降到很低值，允許電流從二極管上通過，并將晶閘管兩端電壓控制在二極管保護范圍內，有效防止晶閘管因為過壓而燒毀。

二極管1.5KE440AC相當于兩個二極管反向串聯，它既可保護晶閘管。二極管的擊穿電壓范圍為440±22V，晶閘管的安全工作電壓為4200V～4900V，所以要串聯9個二極管，它們的擊穿電壓達到4000V左右，低于晶閘管的安全工作電壓。當晶閘管導通時，出現瞬時高壓，瞬態電壓抑制二極管組將被擊穿導通，將電壓控制在安全范圍，保護晶閘管［14］。

瞬態電壓抑制二極管比RC吸收電路響應時間短，電路結構簡單，更便于設備小型化。

4 晶閘管開關控制電路設計

水下等離子體聲源放電系統中，放電開關的放電時機主要由加載在門極的控制信號來決定。用計算機輸出Matlab程序生成的編碼信息，通過一系列電路將編碼信息信號調整為能驅動晶閘管開關的控制信號，控制聲源系統的放電時機，使聲脈沖具有攜帶編碼信息的能力，控制電路結構框如圖6所示。

圖6 晶閘管開關編碼控制電路框圖

4.1 信號放大電路設計

晶閘管開關編碼控制信號選用的脈沖位置調制（PPM）編碼方式，基于Matlab線性輸出PPM編碼信息。

但是，計算機聲卡輸出電壓幅度受到聲卡硬件的限制，所以要在聲卡輸出后連接運算放大電路，運算放大電路如圖7所示。

在圖7中，信號放大電路采用的是OP27雙電源供電芯片，計算機輸出的PPM調制信號通過整流二極管，濾掉負電壓部分，然后通過電容，濾掉交流部分，輸入到OP27。在電路中，電阻R17和R19決定了電路的放大倍數n=R17R19=10倍，芯片供電為±12V，輸入為1V，所以輸出為10V，完全滿足其他芯片驅動需要。

圖7 信號放大電路

4.2 功率放大電路設計

高壓大電流放電晶閘管，采用了放大門極結構，門極溝道的長度比較長，因此需要強觸發才能縮小不同晶閘管的開通時延，從而減小動態均壓不平衡問題［15］。晶閘管開關導通的時間隨著觸發信號的電流增大而減小，隨著電壓的升高而減小，一般采用電流上升沿陡峭的脈沖波作為強觸發信號觸發晶閘管開關。晶閘管門極控制電壓VGT=2.17V，電流IGT=68mA，而大功率晶閘管需要強觸發，故要將PPM調制信號先進行功率放大，然后作用到晶閘管的門極來驅動晶閘管導通，功率放大電路如圖8所示。

圖8 功率放大電路

當PPM調制信號經過運算放大后，先通過反向器使其高低電平反向，然后信號通過光耦TLP114，光耦又將輸入信號反向，恢復PPM信號，同時光耦將調制信號和晶閘管的高電壓隔離，防止高電壓進入控制電路將其擊穿發生危險。功率放大采用IRF530N芯片，最大輸出電流為17A，最大輸出電壓為100V，功率70W，指標參數滿足對晶閘管的驅動要求。

圖9 聲卡和功放輸出

如圖9所示，波形1為聲卡輸出，波形2為功放輸出，可見經過放大電路處理后，觸發脈沖電壓在9V左右，滿足強觸發的要求。

5 結語

針對水下等離子體聲源系統放電電壓高、電流大的特點設計了放電開關及其控制電路，可實現利用編碼控制放電開關，使其能產生攜帶編碼信息的聲脈沖。

詳細分析了晶閘管開關的指標參數及用法。針對晶閘管的靜態和動態保護問題，設計了一種用于水下等離子體聲源的開關控制電路。搭建了由計算機軟件和硬件電路組成的PPM編碼控制開關。編碼控制開關電路可以有效地實現對晶閘管開關的編碼控制，使系統放電產生的聲脈沖具有攜帶編碼信息的能力。