串联晶闸管同步导通设计研究

廉龙飞 韩薇 王旭梅

摘 要：晶闸管导通能力强，但是耐压性较弱，随着高压与特高压在工业领域的广泛应用企业多采用晶闸管串联的方式以此来增加晶闸管的抗压性。我们利用MOSFET的快导通和通流能力强的特点，搭建了一套实现光纤控制的四只晶闸管同步导通的强触发平台，而且对这套系统进行了间接光触发系统的设计结构，经过测试表明，晶闸管触发时延和门极触发电流相关，触发电流峰值越大，前沿小，导通越快，时延越小。

关键词：串联晶闸管；导通；实验；设计；电压

我们知道当前主流的晶闸管单只耐压不高，在断态下峰值电压为2.5～3KV，如果使用有更高耐压性的晶闸管造价比较高，因此非常有必要拓展晶闸管的耐压性。通常的方法是串联几个晶闸管来提高耐压性，但是串联后的晶闸管开通时间不一致，导致动态分压不均衡，晶闸管的通态电阻是毫欧级别，断态电阻是兆欧级别，就让先后导通的晶闸管承受的电压不同，就会发生单个晶闸管受压过大，造成串联晶闸管的失效。因此晶闸管静态均匀保护和动态缓冲保护研究就十分的必要。同步强触发是正晶闸管串联动作一致性的重要环节，我们将设计一种晶闸管强触发电路用于测试这种电路的稳定性。

一、晶闸管强触发电路设计

1.间接光触发系统

电磁触发的抗干扰能力比较弱，间接光触发可以隔离高压侧对低压侧的电磁干扰。其原理在串联的晶闸管触发信号由一个初始控制信号控制，经过光电转换传输触发信号，进而产生脉冲电流，最终实现晶闸管导通。（见图1）

触发系统主要由触发信号产生电路、光信号发送接收电路，光电转换电路，高电位触发脉冲形成电路等。控制电路产生的触发信号经光纤传输给触发电路板，触发电路板产生脉冲经过脉冲变压器同时传输给四个晶闸管，完成电路的导通。触发电路板和隔离变压器进行直流供电。

2.强触发电路设计

在晶闸管的实际使用中当毫秒级的高压会让导通区域局部过热而烧毁晶闸管，为了提高导通性，设计了晶闸管强触发电路，我们利用MOSFET的快开导通和强通流能力的特性，设计了一种MOSFET的触发导通电路（见图2），当MOSFET触发导通后，被充电模块的主电容C放电产生脉冲电流作用在晶闸管的门极上，直流电源给电容C充电，当电容接收到控制模块触发信号后，MOSFET导通，电容对脉冲变压器对晶闸管的门极和阴极放电，最终脉冲电流给晶闸管进行触发。

二、晶闸管被触发电流的导通过程

晶闸管导通过程存在着开通时延和触发时延，开通的时延与晶闸管本身的工艺相关，不作为我们讨论的对象，同一批晶闸管的触发时延时不一致的，为了提高四只晶闸管导通的同一性，我们必须对多只晶闸管进行统一性的测试，筛选出触发时延相近的晶闸管进行串联。我们指导晶闸管的导通合格内部载流子的扩散运动相关，提高载流子的密度就可以增加反馈电流的基准值，减小反馈次数从而缩短晶闸管的导通时间。触发脉冲的前沿增大可以加快导通区的扩散，进而缩短晶闸管的开通时间，因此我们要控制触发极电流的幅值和前沿来调整串联晶闸管的触发时延，进而让四个晶闸管实现同步触发。

1.晶闸管串同步导通特性

我们采用MOSFET快速导通芯片设计晶闸管强触发导通电路图（如图3），RX作用在于调节原边触发电流幅值，起到控制和保护MOSFET。R1-R4调整触发电流的幅值和前沿。次級串联恢复二极管限制触发电流的流向。在每个晶闸管的门极和阴极中间都会设置有瞬态抑制二极管，以稳定门极和阴极的过高电压。

2.晶闸管串同步触发测试

每一个晶闸管在串联之前都要独立的进行导通测试，保证导通时间相一致的晶闸管进行串联，这是测试有效的前提条件。在实验时我们将脉冲变压器的原边电流作为示波器的触发条件，用于保证计时起点一致。我们要对触发时延进行控制，调整脉冲变压器次级电阻值来改变各自的触发电流，让导通曲线保持一致。通过实验我们可以把四个晶闸管的导通时延控制在10ns级别，我们可以认为他们的导通是一致的。对于晶闸管的保护，串联导通实验不直接将四只晶闸管串联在额定电压上二是采用逐级梯度形式按顺序分别调整，首先调整1、2号晶闸管串联，能够一致开通后，在进行1、2、3 号晶闸管的串联，最后进行1、2、3、4号晶闸管的串联同步导通。

参考文献

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