【導讀】脈沖功率技術是一種能量密度“壓縮”技術,它通過開關的瞬時導通把較長時間內儲存的能量在很短的時間(μs或ns量級)內釋放出來,形成幅度達數十kA甚至數百kA的強電流脈沖。
脈沖功率技術對放電開關的要求是開關的動作速度必須很快，額定電流大，導通時開關的導通電阻要小。早期采用汞引燃管，火花隙等作放電開關。隨著電力電子技術的發(fā)展，先是出現了普通晶閘管，但普通晶閘管的開通時間和關斷時間都很長，特別是當負載為感性時,普通晶閘管的開通時間甚至需要幾百μs，關斷時間也需要幾百μs。這在要求重復頻率達200Hz的加速器電源上是無法使用的。隨著導通時間和關斷時間都在10μs以下的快速晶閘管的出現，特別是大電流快速晶閘管的成功研制，使得這種電力電子器件能夠進入大電流快速放電開關的領域，并逐漸顯示其優(yōu)越性。本文介紹快速晶閘管KK400和KK1000在某加速器電源系統中的應用。
系統基本原理
整個電源系統輸出電流脈沖的重復頻率為200Hz，在系統開始工作前，先要通過普通變壓器T1為脈沖電容器C2預充電到400V，以后便可斷開普通變壓器T1進行重復頻率運行。圖1是系統原理圖，電路工作原理如下。
圖1：系統工作原理
1）預充電過程三相交流電經半波整流對電解電容C1經限流電阻R1預充電到250V，然后改由快速晶閘管KK0對電解電容C1直接充電到310V。在電解電容C1充電時，A相電壓經變壓器升壓全橋整流后經限流電阻R2對脈沖電容C2充電到400V。預充電結束后變壓器通過繼電器與脈沖電容器隔離。
2）重復頻率工作過程C2對變壓器T2放電，快速晶閘管KK3過零關斷，電容C2上的剩余電壓反向。利用KK2導通，C2、L諧振實現電容C2上電壓再次反向，電壓極性恢復到初始狀態(tài)，但幅度已減小。再導通KK1通過L、C2的諧振使C2上電壓幅度也恢復到初始狀態(tài)，電源工作的一個周期完成。又可開始下一個周期的工作。
系統中快速晶閘管的選用
KK0選擇通態(tài)電流為400A的快速晶閘管（KK400）三只，分別用作A、B、C三相電路的整流管，KK1和KK2都是六只通態(tài)電流為1000A的快速晶閘管（KK1000）并聯使用，KK3是十只通態(tài)電流為1000A的快速晶閘管（KK1000）并聯使用。
從圖1可見，除KK0外，KK1、KK2、KK3的負載都是感性負載。在本系統中晶閘管KK0的觸發(fā)信號由對應相經半波整流提供，當某相電壓高于電容C1上電壓時，則那一相晶閘管就導通，直接對電容C1充電。快速晶閘管KK1、KK2、KK3的觸發(fā)信號由計算機內控制板卡定時給出。根據圖1分析知，必須保證三組晶閘管的可靠轉換，即KK3導通截止后，再導通KK2，KK2截止后再導通KK1，KK1截止后再導通KK3。如此電源作重復頻率運行，當電源運行在重復頻率達200Hz時，這樣一個工作周期僅5ms，KK1、KK2、KK3的換相都是采用負載換相，即當快速晶閘管中電流下降為零時，晶閘管承受反向電壓自然關斷。因此晶閘管的開通時間和關斷時間都必須很小，普通晶閘管是滿足不了要求的。
快速晶閘管觸發(fā)電路設計
圖2是快速晶閘管KK0的觸發(fā)電路。KK0的觸發(fā)是利用電源電壓經二極管D整流實現同步觸發(fā)。這樣當某相電壓高于電容C1上電壓時，觸發(fā)極與陰極間也承受正向電壓，晶閘管觸發(fā)導通，實現對電容C1上能量的快速補充。電容充電回路中不加限流電阻一方面保證了電容C1上電壓的快速恢復到310V左右，另一方面電容C1上電壓的迅速上升避免了觸發(fā)極與陰極間電壓過高而損壞晶閘管。
圖2：KK0觸發(fā)電路
圖3是快速晶閘管KK1、KK2、KK3的觸發(fā)電路。由于KK1、KK2、KK3的觸發(fā)信號由計算機內控制板卡上的8253定時/計數芯片產生，為了將產生觸發(fā)信號的計算機與主放電回路在電氣上隔離，系統設計采用了兩級脈沖變壓器隔離。一級用于將計算機輸出的低壓小功率信號經功率放大、脈沖變壓器隔離實現觸發(fā)功率的放大，再提供給第二級并聯的6個（觸發(fā)KK1、KK2）或10個（觸發(fā)KK3）降壓脈沖變壓器觸發(fā)各個并聯的晶閘管。通過兩級隔離一方面實現了計算機與主放電回路在電氣上的隔離，另一方面實現了功率放大，滿足了多只晶閘管并聯運行觸發(fā)功率的要求。
圖3：KK1、KK2、KK3觸發(fā)電路
快速晶閘管應用中幾個問題的解決
快速晶閘管觸發(fā)驅動問題
本系統中由于感性負載的存在（其中KK2的負載為純電感），陽極電流上升率慢。因此雖然我們已選擇了導通時間小于4μs的快速晶閘管，但為了保證系統的安全可靠運行，設計觸發(fā)系統時仍適當加大了觸發(fā)脈寬和觸發(fā)電壓。實驗證明10μs的觸發(fā)脈寬，7V的觸發(fā)電壓能保證系統中晶閘管的可靠觸發(fā)。
快速晶閘管過電流保護措施
從圖1的原理介紹可知，當電解電容C1上電壓達260V時，改由KK0不經限流電阻直接對電容C1充電。此時KK0可能通過很大的浪涌電流，管芯發(fā)熱嚴重，如果不采取強有力的散熱措施，晶閘管很易損壞。另外，KK1、KK2、KK3的運行電流也非常高。為解決
這一難題，系統采取對所有快速晶閘管進行高速循環(huán)水冷的措施，為晶閘管的散熱創(chuàng)造良好的條件。
快速晶閘管開關過程過電壓保護
在本系統中由于感性負載的存在，晶閘管開關過程中，尤其是在電流過零關斷過程中容易受到尖峰電壓的沖擊，此尖峰電壓一旦超過晶閘管所能承受的電壓，晶閘管就會被擊穿而損壞。為了防止這種情況出現，設計系統時選擇了RC阻容吸收電路，將47Ω的電阻及0.15μF的電容并聯跨接在快速晶閘管的陽極和陰極間，如圖2和圖3所示。
通過采取快速晶閘管并聯運行，滿足了系統大電流運行的要求。通過兩級脈沖變壓器隔離放大解決了觸發(fā)電路與主電路的電氣隔離，也滿足了多只晶閘管同時觸發(fā)的同步和功率要求。阻容吸收電路和高速循環(huán)水冷裝置的設計，保證了快速晶閘管的安全運行。實驗證明快速晶閘管應用在本加速器電源系統中具有運行可靠，壽命長，安裝方便，無環(huán)境污染等優(yōu)點。隨著更大容量快速晶閘管的出現，這種電力電子器件必將在更大功率的加速器電源中得到進一步的推廣應用。
