交流电子开关设计及研究

◇西安派瑞功率半导体变流技术股份有限公司 黄 攀 陈泽宇 王国超 高路念

交流电子开关是作为高压接地试验中，替代传统的开关，用于接通规定电压、电流的单相交流电路，从而达到一定的试验目的，模拟输电电路检测中对地短路试验；其具有便携性、易操作等特点。

1 概述

在长距离输电线路中，需要对线路进行定期检修检测，以确保并判断输电线路的正常运行，从而就需要不断的创新设计、应用。

交流电子开关设计寻求方便快捷易操作的目的，解决传统方式的应用，在规定电压、电流下，控制电路单相接地，模拟野外工况下，线路意外接地试验，比如雨天雷击、树枝刮蹭等；来观察对于电路整体的运行情况，以便更好的维护、定检。

2 结构及原理

图1 联结方式框图

采用特定型号晶闸管（10只），通过五组“晶闸管对”的串联，组成单相反并联桥臂，构成交流电子开关。配置单片机系统、驱动单元、触发单元、均压和吸收电路，其中触发单元当接收到“通/断”信号（+5VDC信号，低电平为“通”。）后触发晶闸管，使电子开关工作；由于交流电子开关应用于高电压电流的环境下，因此其配套的散热系统也有一定的要求，尽可能采用横截面积大、沟回多的齿状散热器，在保证体积小的情况下有更好的散热效果，这里做一简单介绍。

其中每组晶闸管阴极与阳极并联有电阻电容，用以对应晶闸管的稳态均压和瞬态均压，保证在所有晶闸管开通的时候，每组晶闸管所承受的电压相近，避免造成电压分配不均衡导致晶闸管组使用寿命减短或直接损坏，从而使其他晶闸管组也因为过压而出现故障，影响整个运行，这里涉及到重要器件的选型，下文会做详细分析、介绍。

3 软件时序设计

软件部分设计是整套设计中的核心控制部分，其控制不同时刻输出根据不同的指令输出不同幅值、时刻的波形，用来控制其他部分的电路以及接受不同的反馈信号。

该设计主要采用终端输出规定时刻、幅值的方波，经过一系列电路产生规定的高频信号，以达到触发信号所需，其中所有核心集中于STM32系列芯片编程处理，通过不同的DA口采用浮空或上拉发出不同的信号，以下时序图设计包含输入信号、输出信号、终端信号（见图2）。

图2 软件时序框图

4 前端信号输入设计

此部分作为单片机系统前端输入信号设计，用来将工频信号转换为规定幅值、时刻的信号，经单片机处理分析，达到设计目的；其中输入信号经过信号放大（保证采样更加精准）→信号隔离（避免输入信号受杂波影响）→单片机系统电路，其原理框图见图3。

图3 输入原理框图

5 驱动原理设计

驱动部分是电子开关门极特性触发的重要部分，其设计原理主要接收单片机发出的信号经其驱动电路、触发电路转换为规定幅值、时间的高频脉冲，并至规定时刻触发桥臂，其中高频脉冲列的时间、幅值均可根据需要进行调整，但高频脉冲中集成电路就需要选择高速电路应用，才能达到设计要求，避免因芯片速度不够，从而造成信号延迟甚至终端，影响驱动效果（驱动原理框图见图4）。

图4 驱动原理框图

6 触发原理

触发电路是接受来自驱动电路的高频信号，经过触发电路分配规定幅值、时刻至交流电子开关的每组门极，来触发晶闸管，其中采用高压放电管释放相邻阀器件之间的高压对门极的影响，并使用特殊磁环分配来自驱动电路的高频信号给晶闸管的门极，实现触发目的，其中可通过磁环控制脉冲幅值（根据实际工况略微调整）。

7 器件选取

该设计主要器件是建立在晶闸管特性的基础上，因此在参数选配上特别重要。根据应用的不同，尺寸大小是有所限制，这就要求对不同的晶闸管的参数、尺寸有所了解，才能满足设计需要。

对于单相桥臂来说，每组串联的晶闸管（如图1）在开通瞬间，其所承受的电压应保持一致，这也就决定了晶闸管的耐受电压、Vgt、Igt及门槛电压，其中门槛电压应保持一致，以保证管子在同一时刻开通，理想状态是使每组器件的承受电压一致，但这只是理论上的，就需要给每组管子加稳态及瞬态均压。

7.1 稳态均压

稳态均压是要使每组晶闸管所承受的电压均衡。可通过每只晶闸管并联一只大电阻Rp来实现均压。为了更好的均压效果，Rp的电流应大于晶闸管的漏电流。

Rp的值可由下式确定：

7.2 瞬态均压

串联晶闸管存在着tgt及 Qrr的差异（对二极管来说，只存在Qrr的差异），在开通及关断的过程中会出现瞬态电压分配不均。瞬态均压是将瞬态电压分配不均衡造成的过电压控制到允许值。可通过在晶闸管两端并联RC，来吸收过电压。

串联晶闸管开通过程中的瞬态过电压与tgt有 关。串联晶闸管tgt的 大小与瞬态过电压成正比，会造成晶闸管损坏。当串联晶闸管数量多而Igt又不够时，容易发生这种情况，因此可通过给门极施加强触发来解决。

由于Qrr差造成的过电压，与晶闸管的Qrr的差值及Cb有关，其值为：

选择Qrr参数一致的管子构成串联臂可以有效减小关断过电压。其值可由下式计算：

8 结束语

本文阐述了交流电子开关的软件时序设计、驱动电路设计、输入设计、关键器件的设计及选择的思路，着重分析研究稳态均压、瞬态均压对整套设计的重要性及可靠性，并且实地在实验室进行了模拟野外单向接地的试验，对交流电子开关触发频率、时刻、所承受的规定电压进行了考证，确定设计的合理性、可靠性；在交流电子开关触发时刻、耐压等方面均取得显著的效果。