串联晶闸管光纤隔离触发系统设计及试验

徐建霖，王 晨，甄洪斌，江壮贤

（1. 海军工程大学电气工程学院，武汉 430033，2. 中国电子科技集团公司第五十四研究所，石家庄 050081）

串联晶闸管光纤隔离触发系统设计及试验

徐建霖1，王 晨2，甄洪斌1，江壮贤1

（1. 海军工程大学电气工程学院，武汉 430033，2. 中国电子科技集团公司第五十四研究所，石家庄 050081）

本文在阐述串联晶闸管主要的触发方式的基础上，针对中压直流断路器中10kV脉冲电流回路开关

晶闸管 串联 触发电路 光纤 隔离

0 引言

随着舰船电力系统向着综合电力系统方向发展，电站容量急剧增大，电压等级也将提高至5 kV等级甚至更高，对舰船电力系统保护设备提出了更高的要求[1-3]。因此，研制舰船用新型中压直流断路器非常必要，直流断路器通常是通过向主回路注入一个反向脉冲电流来实现主电流过零分断的。

中压直流断路器中脉冲电流回路的开关设计是中压直流断路器的关键技术之一。它的运行特点是电压高（＞10 kV）、电流峰值大（＞10 kA）、电流上升率高（＞100 A/μs）、脉宽窄、能量释放迅速[4-6]。晶闸管开关是较适合于用做断路器中反向脉冲电流回路的开关，在直流断路器中，考虑系统可能出现的过电压（超过10 kV），仍然不得不采取多个晶闸管器件串联来满足断态时的阻断电压需要[7-9]。因此，必须对串联晶闸管的关键技术开展研究，其中触发电路技术是其关键技术之一。

串联晶闸管触发电路的要求有：1）多路触发信号同步性要求；2）每路触发电路之间的绝缘要求；3）控制电路与高压回路之间的绝缘要求。目前，常用的串联晶闸管触发方式有电磁触发方式、光耦触发方式、直接光触发方式、光电触发方式[10-12]。本文设计制作了一套采用低成本光收发模块的光电触发系统，试验结果表明该系统满足该串联晶闸管的触发要求，能够可靠触发，并且该系统结构简单，易于实现，其高压取能电路满足小电流低功耗要求。

1 串联晶闸管主要的触发方式

电磁触发方式是最常用的串联晶闸管触发方式，其工作原理是将低电平的触发信号经脉冲隔离变压器隔离后送到处于高电位的晶闸管门极。图1为自制三路晶闸管触发板电路图，采用了电磁触发方式。该方式优点很多，很好的实现了触发脉冲信号的传输与高低回路的隔离，由于触发系统从低压回路取电，电压稳定，不受晶闸管主回路的影响，因此能够输出较大功率的触发信号，具有较好的可靠性。目前，国内生产的脉冲隔离变压器耐压已经达到30kV，可以应用于更高电压等级的系统。

图1 脉冲变压器隔离触发电路

1.2 光耦触发方式

光耦触发系统是将触发脉冲经过光耦合器传输至高电位脉冲放大电路，脉冲放大后触发晶闸管所构成的触发系统。该方式可隔离上千伏高压，但是当电压继续升高时则难以胜任。该方式仍采用全电路传输脉冲，脉冲传输受干扰问题不能从根本上解决。此外，有人将电磁触发和光耦触发结合在一起，在一些特殊工况下可能有优势，但通常来说性价比不高。

1.3 直接光触发方式

直接光触发方式就是将触发脉冲信号转变为光脉冲，触发高位直接光触发晶闸管（LTT）。图2为直接光触发晶闸管实物图。在直接式光触发系统中，可控硅元件可以直接用一定波长、一定能量强度的光脉冲触发导通，电触发脉冲转变为光脉冲后，经过光纤传递直接作用于可控硅元件门极，省去了高电位上的触发回路和光-电信号的转化电路，触发的可靠性较高。目前，国内还没有生产直接光触发晶闸管的能力，经市场调查，有公司进口国外阀片进行封装销售，其产品断态重复峰值电压达到8 kV，不重复浪涌电流达到100 kA，具有很好的di/dt耐受能力。但是该型晶闸管价格是同规格普通晶闸管的4～6倍，比较昂贵，多应用于新型高压脉冲电源系统。直接光触发晶闸管是未来的发展方向。

图2 直接光触发晶闸管

1.4 光纤隔离触发方式

光纤隔离触发就是采用光纤通信技术，将低压回路的电脉冲触发信号通过光纤发送模块转换为光脉冲信号，通过光纤传送到高压侧，再通过光纤接收模块将光脉冲信号还原为电脉冲信号，经处理后送至晶闸管门极。该方式优点较多：易实现高压晶闸管阀体的在线监测，系统具有理想的电磁抗干扰性能，能够产生分散性小、前沿陡的门极触发脉冲，有利于串联晶闸管的同时触发，可以采用普通的高压晶闸管等。

2 串联晶闸管光纤隔离触发系统设计

串联晶闸管作为高压脉冲电源系统的理想开关，应用于中压直流断路器，该中压直流断路器高压脉冲电源系统采用预充电到10kV的电容器组为电源，由串联晶闸管控制电容向负载进行脉冲放电，其运行特点是电压高，并且持续承受正向高压，电流峰值大，电流上升率高，脉宽窄。基于以上特点采用晶闸管光纤隔离触发优点很多，系统具有理想的电磁抗干扰性能，能够产生分散性小、前沿陡的门极触发脉冲，有利于串联晶闸管的同时触发，采用高压取能电路能够实现高低压电磁隔离。

首先，事业单位各部门、人员要明确责任分工和权限，除了要设立部门责任制之外，还应将具体责任落实到个人。其次，各部门应带头细化单位内部的各类规章机制，强调细节管理，争取每一环节都设有严谨的约束机制，为经费管控保驾护航。

晶闸管光纤隔离触发系统主要包括阀基电子板(VBE)和晶闸管电子板(TE)两大部分。本文设计制作了一套采用低成本光收发模块的光电触发系统，试验结果表明该系统满足该串联晶闸管的触发要求，能够可靠触发，并且该系统结构简单，易于实现，其高压取能电路满足小电流低功耗要求。本文所研究的光纤隔离触发系统的触发的对象为3只额定6500 V/1300 A晶闸管。系统的原理如图3所示，VBE板接收控制系统的触发命令，将宽度为50 μs的TTL触发信号转换为光信号发送到光分路器，光分路器将光信号分为三路同时发送给三路TE板，再通过TE板将光信号转换为电信号触发晶闸管。

图3 晶闸管光纤隔离触发系统

阀基电子板（VBE）主要由触发系统、监测系统及光电、电光转换接口三部分构成，其中，触发和监测部分主要由微处理芯片和可编程器件构成，光电、电光转换部分主要由光电器件构成。

本文采用的是价格低廉的FBT多模光分路器，参数为工作波长850 nm，输入输出端1×3，分光比1：1：1。其功能为将VBE板的光触发信号等分成3路光触发信号发送给TE板。

晶闸管电子板（TE）位于触发系统的高压侧，其功能有从高压侧取能为自身提供电源，接收VBE板光触发信号并转换为电信号进过处理后送到晶闸管门极触发晶闸管。本文自制TE板主要由高位取能电路、光接收电路和门极触发电路构成。

3 串联晶闸管光纤隔离触发系统试验

根据中压直流断路器高压脉冲电源系统的要求，按上述VBE板与TE板的功能和工作原理设计制作了一套完整的晶闸管阀组光电触发系统，设计了模拟触发实验，并采用三只6500V/1300A高压晶闸管串联进行了触发实验。

由于本文设计的光纤隔离触发系统高压取能回路应用于10 kV串联晶闸管组件。直接进行10 kV等级的触发实验，存在一定风险，因此设计了模拟触发实验，在低压条件下获取触发信号波形，三路触发信号同步性，触发延时等参数，作为10 kV等级触发实验的基础。

模拟触发实验电路如图4所示。考虑到真空直流断路器高压脉冲电源电压范围8～12 kV，因此用2.6～4 mA电流源代替静态均压回路，用10 Ω电阻R代替晶闸管门极。实验中调整电流源分别为2.5 mA、4 mA，给VBE板触发信号，用示波器同时测量VBE板触发信号与TE1、TE2、TE3板的J2端触发信号。分析判断触发信号强度、同步性与延时等特性是否满足要求。

图4 TE板模拟触发测试电路

本文制作了5套光纤隔离触发系统。在输入电流2.6～4 mA条件下，光纤隔离触发系统输入输出波形如图5所示，VBE为输入电流波形，TE1、TE2、TE3为三路输出电流波形。

图5 实验电流波形

串联晶闸管触发信号的同步性要求多路触发信号具有相同的触发强度，严格一致的上升沿。以下参数能够作为触发信号同步性的判断依据。

1）触发电流峰值Imax。该参数是触发信号强度的主要依据。

2）触发信号阶跃时刻的最大时间差Δt′max与触发信号达到峰值的最大时间差Δt′′max之和Δtmax，如图6所示。该参数考虑了触发信号两个拐点影响，能够很好反应触发信号上升沿的差异。

图6 触发信号时间差定义

实验测量5套光纤隔离触发系统三路TE输出电流的峰值Imax，脉冲宽度，电流上升到320 mA的时间tr，三路TE板输出信号阶跃时刻的最大时间差与触发信号达到峰值的最大时间差之和Δtmax，VBE板信号峰值时间与TE板信号峰值时间的最大时间差Δt′。其结果如表1所示。

由表1实验结果可知：

1）Imax的最小值为396 mA，最大值为536 mA，均高于参考值320 mA；tr最小值为0.55 μs，最大值为0.98 μs，范围覆盖了参考值0.7 μs。触发脉冲宽度最大值为52.3μs，最小值为51.5μs，均大于50 μs。因此该系统触发信号强度满足晶闸管触发要求。

表1 光纤隔离触发系统实验结果

2）Δtmax最大值为440 ns，远大于晶闸管的上升时间。因此该触发系统满足触发同步性要求。

3）VBE板信号峰值时间与TE板信号峰值时间的最大时间差Δt′最大值为2μs，最小值1.04 μs，该系统延时微秒级别，延时分散性小，因此满足系统要求。 综上，经过实验测试对各系统TE板进行配对后，该触发系统能够满足设计要求。将该触发系统应用于中压直流断路器10 kV脉冲电源系统进行了串联晶闸管组件触发放电实验，多次实验均成功触发，晶闸管均压达到预期要求。

4 小结

针对中压直流断路器反向脉冲电流回路开关的要求，设计并制作了串联晶闸管光纤隔离触发系统，成功应用于中压直流断路器10 kV脉冲电流回路中。该系统采用低成本光收发模块，结构简单、容易实现、成本低，具有理想的电磁抗干扰性能，能够产生分散性小、前沿陡的门极触发脉冲，有利于串联晶闸管的同时触发。采用高压取能电路能够实现高低压电磁隔离，通过模拟实验验证了系统的有效性与可靠性。

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Design and Test of Series Thyristor Optical Fiber Isolation Trigger System

Xu Jianlin1, Wang Chen2, Zhen Hongbin1, Jiang Zhuangxian1

(1. Electrical Engineering Institute, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. The 54th Research Institute
of CETC, Shijiazhuang 050081, China)

This article described the main trigger mode of series thyristor, and designed a series thyristor optical fiber isolation trigger system according to the request of development of 10kV Pulse current circuit switch in medium voltage DC circuit breaker. At the same time it carried out the research in series thyristor trigger circuit. The validity and reliability of the trigger system was proved by simulation experiment.

thyristor; in series; trigger circuit; optical fiber; isolation

TM471

A

1003-4862（2016）12-0010-04

2016-07-08

国家自然科学基金（51207166，51307179，51377166）。

徐建霖(1979-)，男，硕士，讲师。研究方向：电力系统及其自动化。

的研制要求，设计了一套串联晶闸管光纤隔离触发系统，同时对串联晶闸管触发电路进行了研究，并且通过模拟实验验证了该触发系统的有效性与可靠性。