一种晶闸管串联高压直流通路的动态均压电路及设计方法与流程

1.本发明涉及电子工程领域，具体是指一种晶闸管串联高压直流通路的动态均压电路及设计方法。


背景技术：

2.晶闸管(thyristor)是晶体闸流管的简称，又被称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅，是一种开关元件，能在高电压、大电流条件下工作，并且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中，是典型的小电流控制大电流的设备。
3.由于单个晶闸管的耐压等级有限，为了满足高压场合的应用需求，需要采用多个晶闸管串联的方式提高耐压能力。晶闸管串联时，由于各晶闸管自身特性(静态特性-动态特性等)和触发电路间难免存在差异，因此晶闸管串联均压电路设计非常重要。
4.传统的动态均压方式常采用rc串联与晶闸管并联的方式实现动态均压，随着高频晶闸管的出现及应用，传统的均压方式不再适用于高频均压。为此发明人提出一种利用rcd均压网络对多个串联晶闸管实现动态均压的电路以及此电路的设计方法，来满足高频晶闸管动态均压的要求。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是克服以上技术缺陷，提供一种动态响应频率高、吸收效果好的晶闸管串联高压直流通路的动态均压电路及设计方法。
6.第一方面本技术提供了一种晶闸管串联高压直流通路的动态均压电路，包括高压直流电源模块、驱动模块、若干晶闸管、若干rcd均压模块及若干静态均压电阻；
7.所述高压直流电源串联若干所述晶闸管，所述驱动模块控制所述晶闸管的连通状态，每个所述晶闸管分别并联一个rcd均压模块及一个静态均压电阻，且若干所述rcd均压模块依次串联，若干所述静态均压电阻依次串联；
8.其中，所述rcd均压模块包括一个动态均压电容、一个动态均压电阻及两个快恢复二极管，所述动态均压电容与所述动态均压电阻串联，两个所述快恢复二级管呈反并联设置在所述动态均压电阻的两端。
9.优选地，所述高压直流电源模块输出10-20kv的直流电，其正极连接晶闸管的阳极、负极连接晶闸管的阴极。
10.优选地，所述驱动模块包括驱动电源、高压隔离脉冲变压器及变压器驱动电路，其中，所述驱动电源串联所述变压器驱动电路及高压隔离脉冲变压器，所述高压隔离脉冲变压器包括单原边绕组及若干副边绕组，所述原边绕组与副边绕组之间绝缘。
11.优选地，若干所述副边绕组分别与若干所述晶闸管一一对应，使副边绕组的正极连接与其对应的晶闸管的门极、负极连接与其对应的晶闸管的阴极。
12.优选地，每个所述副边绕组的两端还设有tvs瞬态抑制二极管。
13.优选地，所述变压器驱动电路采用mos正激电路。
14.第二方面本技术提供了一种应用此晶闸管串联高压直流通路的动态均压电路进行试验的设计方法，包括：选取动态均压电容值、动态均压电阻值和电阻功率以及快恢复二级管额定电流值；
15.其中，所述动态均压电容值的选取依照公式：
[0016][0017]
式中qr为晶闸管反向恢复电荷，i
rr
为晶闸管的反向恢复电流，tq为晶闸管的关断时间，k为串联晶闸管的个数，k为晶闸管承受的电压平均值与最大值之比，δqr为晶闸管的反向恢复电荷之差，u
p
为晶闸管的两端施加的正向电压；
[0018]
所述动态电阻值选用10-30欧姆，电阻功率的选取依照公式：
[0019][0020]
式中f为电源频率，c为动态均压电容值，v
dsm
为晶闸管重复峰值电压，n为串联晶闸管数量；
[0021]
快恢复二极管的额定电流大于等于15a。
[0022]
优选地，还包括选取静态均压电阻值，所述静态均压电阻值的选取依照公式：
[0023][0024]
式中v
dsm
为晶闸管重复峰值电压，i
drm
为晶闸管峰值漏电流。
[0025]
本发明和现有技术相比所具有的优点是：本方案采用了rcd动态均压模块和静态均压电阻共同进行晶闸管的稳定，rcd动态均压模块利用电容两端的电压不能突变原理，配合动态均压电阻、快恢复二极管抑制晶闸管开断过程引起的高频波动电压，保护晶闸管，而静态均压电阻可保证确保在晶闸管关断的时候每个晶闸管两端的电压值近似相等，这样就能够在串联使用晶闸管时，具有很高的动态响应频率和电压波动吸收能力，并最终提高晶闸管的使用寿命和稳定性。
附图说明
[0026]
图1是本发明晶闸管串联高压直流通路的动态均压电路的原理框图。
[0027]
图2是本发明晶闸管串联高压直流通路的动态均压电路的连接示意图。
[0028]
图3是本发明在振荡波发生器中用作开关产生的波形图。
[0029]
如图所示：1、高压直流电源模块，2、驱动模块，21、高压隔离脉冲变压器，22、原边绕组，23、副边绕组，24、变压器驱动电路，25、tvs瞬态抑制二极管，26、驱动电源，3、晶闸管，4、rcd均压模块，41、动态均压电容，42、动态均压电阻，43、快恢复二极管，5、静态均压电阻，6、限流电阻，7、储能电容。
具体实施方式
[0030]
以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明型的保护范围，下面
结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0031]
为便于对本实施例进行理解，接下来以在实际加工过程中本发明所采用的一种晶闸管串联高压直流通路的动态均压电路及设计方法进行详细介绍。
[0032]
实施例1，参照图1-3，本实施例中提出了一个三晶闸管3串联的高压直流回路和此电路的设计方法，并通过振荡波发生器对其运行状态进行检测。
[0033]
参照图1-2，晶闸管3串联高压直流通路的动态均压电路包括高压直流电源模块1、驱动模块2、三个晶闸管3、三个rcd均压模块4及三个静态均压电阻5。
[0034]
所述高压直流电源选用10kv直流电源，在本实施例中，为了进一步模拟现实工况，在高压直流电源上串联一个限流电阻6和并联储能电容7。对于高压直流电源来说，输出直流高压，但输出电流较小，总功率较低，又可控制晶闸管3间歇导通形成瞬态高幅值的脉冲信号。因此实际环境中通常需在后端增加储能电容7实现瞬态大功率信号输出。所述限流电阻6用于限制高压回路电流、保护高压直流电源，并对储能电容7充电。所述储能电容7可存储能量并在晶闸管3导通后瞬间释放能量形成大功率脉冲波。
[0035]
而三个晶闸管3作为直流高压回路中的受控开关，其被高压直流电源串联，呈现阳极连接高压直流电源的正极、阴极连接高压直流电源的阴极。因此晶闸管3还剩下一个用于控制开断状态的门极。
[0036]
驱动模块2作为同步控制晶闸管3开断的模块，其包括驱动电源26、高压隔离脉冲变压器21及变压器驱动电路24。其中，所述驱动电源26采用5v低压电源即可，其串联所述变压器驱动电路24及高压隔离脉冲变压器21。所述变压器驱动电路24使用大电流mos正激电路，输出电流大，频率高，经高频脉冲变压器信号转换后实现对晶闸管3强触发，减小晶闸管3参数不一致带来的影响，降低晶闸管3损坏风险。所述高压隔离脉冲变压器21包括单原边绕组22及三个副边绕组23，可同时控制多个晶闸管3开断，同步触发一致性好。并且所述原边绕组22与副边绕组23之间绝缘，隔离度高，而且具有上升时间小于1us适用于高频触发等特点。使三个副边绕组23和三个晶闸管3一一对应、副边绕组23的正极连接与其对应的晶闸管3的门极、负极连接与其对应的晶闸管3的阴极，这样就实现了对于晶闸管3的控制电路。
[0037]
最后在每个所述副边绕组23的两端设置tvs瞬态抑制二极管25，可以抑制变压器副级及等效感性参数产生的尖峰电压，从而在控制电路中保护晶闸管3。
[0038]
对于这种串联设置的晶闸管3来说，其具有导通电流大，单管工作电压低，且动态参数不稳定等特点，因此串联使用时必须采用动态均压做保护。本方案中则使用了rcd均压模块4和静态均压电阻5来对其进行保护。
[0039]
具体的，rcd均压模块4包括了一个动态均压电容41、一个动态均压电阻42及两个快恢复二极管43。其连接结构为，动态均压电容41和动态均压电阻42串联，并且两者相连的首尾并联所述晶闸管3，而快恢复二极管43呈反并联设置在所述动态均压电阻42的两端。而且在整个直流回路中，三个rcd均压模块4的动态均压电容41、动态均压电阻42依次串联设置。上述的动态均压电容41是利用电容两端的电压不能突变原理，配合动态均压电阻42、快恢复二极管43抑制晶闸管3开断过程引起的高频波动电压，保护晶闸管3。而动态均压电阻42则为耗能元件，动态均压电容41吸收的能量由动态均压电阻42转换为热能释放，抑制晶闸管3开断过程中由于漏感、线路等效参数引起的瞬态过电压，预防晶闸管3损坏。所述快恢复二极管43具有导通速度快，反向恢复时间短，配合动态均压电阻42、动态均压电容41对晶
闸管3开断产生的高频波动电压提供快速释放通道，从而实现高频动态均压。可以看出通过rcd均压模块4可以使整个高压直流回路中高频波动电压得到合理的释放，这样就能在串联晶闸管3时起到保护作用。
[0040]
所述静态均压电阻5也并联在晶闸管3的两端，并且在整个直流高压回路中呈多个静态均压电阻5串联设置。所述的静态均压电阻5必须应用于晶闸管3串联的高压直流通路中，从而确保在晶闸管3关断的时候每个晶闸管3两端的电压值近似相等。
[0041]
对于这个实施例本技术还提供此电路的设计方法，包括：选取动态均压电容值、动态均压电阻值和电阻功率、快恢复二级管额定电流值及静态均压电阻值。
[0042]
上述的技术参数，均为构建均压电路的重要技术指标，通过获得这些技术指标可以配合电路图和使用的晶闸管参数构建合理的均压电路。其中，所述动态均压电容值的选取依照公式：
[0043][0044]
式中qr为晶闸管反向恢复电荷，i
rr
为晶闸管的反向恢复电流，tq为晶闸管的关断时间，k为串联晶闸管的个数，k为晶闸管承受的电压平均值与最大值之比，δqr为晶闸管的反向恢复电荷之差，u
p
为晶闸管的两端施加的正向电压；
[0045]
所述动态电阻值选用10-30欧姆，电阻功率的选取依照公式：
[0046][0047]
式中f为电源频率，c为动态均压电容值，v
dsm
为晶闸管重复峰值电压，n为串联晶闸管数量；
[0048]
快恢复二极管通常可选额定电流为15a、电压1200v，型号为rhr15120的二极管。
[0049]
所述静态均压电阻值的选取依照公式：
[0050][0051]
式中v
dsm
为晶闸管重复峰值电压，i
drm
为晶闸管峰值漏电流。
[0052]
最后可参见图3所示，将本电路连接振荡波发生器，通过振荡波发生器测试电路在运行条件下对抗出现在高压上重复性衰减振荡波的能力。而在这个实验过程中晶闸管起到开关作用，可以看到振荡波在开断瞬间产生巨大的振幅，但是可随时间迅速衰减，因此可以看出rcd均匀网络可以对串联晶闸管形式的电路起到高频率响应和高压波动充分吸收的效果，这样就能确保晶闸管使用的稳定和安全。
[0053]
以上对发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。