水下等离子体声源放电开关及控制电路设计*

2019-11-28杨晓乐

舰船电子工程 2019年11期

关键词：晶闸管导通二极管

周进李亮杨晓乐

（1.海军702厂上海 200434）（2.中国人民解放军92785部队秦皇岛 066000）（3.海军工程大学电子工程学院武汉 430033）

1 引言

放电开关在水下等离子体声源系统中不仅可以实现充电系统和放电系统的隔离，更重要的是它可以在控制电路的控制下实现放电时间的可控［1］。特别是利用编码控制放电开关，可以实现有规律的放电，能产生携带编码信息的声脉冲，达到信息传输的目的。

2 基本原理

放电开关是连接储能电容和放电电缆的重要装置，它将储能电容与放电回路隔离开，以保证储能电容能顺利完成充电，防止边充电边漏电的发生。同时放电开关可以精确控制放电系统的放电时机，只有当触发放电开关时，储能电容才与放电回路导通，存储的能量迅速通过放电电缆和放电电极释放［2］。瞬间的高电压大电流使得在选择和设计放电开关时，要充分考虑放电开关的耐高压性、通流性和开关时间。

三电极火花隙开关和晶闸管开关常被用于声源系统。三电极火花隙开关电流上升速率可达1 kA s，开关时间短且能承受高电压（可达MV级）和大电流（可达MA级），开关结构简单，使用比较广泛［3］，如图1所示。

由图1可看出，当储能电容C电压为高压U时，电压不足以击穿两电极G1与G2使其导通，当触发电路产生一个负电压脉冲U1加载到G0电极时，G1与G0之间电压差增大并且先行击穿导通，这时G0上的电压为U+U1，G0与G2之间距离较短且电压增加，达到击穿条件，G0与G2击穿导通，这时间隙开关G1与G2导通。

图1 三电极火花隙开关示意图

晶闸管开关由半导体构成，半导体反应速度快开关时间短，且密闭干扰小。触发信号可编码控制，可实现放电的频率调节，更好掌控放电时间。晶闸管开关相对于火花隙开关体积小，易于系统的小型化［4］。电压和电流相比火花隙开关相对较小，但将晶闸管并联、串联使用，可以提高开关的通流能力和耐压能力。

与三电极火花隙开关相比，晶闸管开关优势明显：

1）寿命长：三电极火花隙开关在导通时，会在电极间放电，三电极烧蚀严重，即使在电极端部使用铜钨合金，也会由于氧化作用降低开关寿命。而晶闸管开关为半导体器件，半导体的固有特性，决定了晶闸管开关的使用寿命较长［5］。

2）可靠性高：三电极火花隙开关在导通瞬间，电极的机械触点要承受大电流的冲击、震动，使用次数过多后，机械触点松动，晶闸管开关却不存在这一缺点。

3）可编码控制、触发功率小：晶闸管开关使用逻辑电路控制，易于编码控制，更适合于对声脉冲编码的要求，并且晶闸管开关的触发电压小，触发功率低，相比于三电极火花隙开关的负高电压触发容易实现。

4）抗干扰能力强：晶闸管开关为半导体器件，结构密闭，受外界电磁干扰小，触发电路与晶闸管之间使用光耦隔离，避免开关导通时对逻辑控制电路的影响。

5）体积小，便于设备的小型化。

根据上述优点，结合水下等离子体声源发信特点，系统应选用容易实现编码控制的晶闸管作为放电开关。

3 电路设计

通常耐压较高的晶闸管被用于电路设计。但单个晶闸管耐压受到一定限制，所以可以将多个晶闸管串联作为开关使用，以提高整个放电开关的电压等级。

晶闸管开关的串联使用会导致晶闸管之间分压不均，严重时甚至能造成晶闸管的击穿损坏。为了解决这一问题，可以在选用器件时挑选参数尽量一致的晶闸管，同时还可以通过静态保护和动态保护电路的方法来解决［6］。本文以基于放电电压Uc=10kV的系统，分析并计算晶闸管开关及保护电路的具体参数。

3.1 晶闸管开关电路设计

晶闸管用做水下等离子体声源放电开关时，由于放电电压较大，如果仅使用一片晶闸管，这就要求晶闸管的额定电压很大，然而额定电压大的晶闸管生产工艺难度高，造价昂贵，而且市场上比较少见，因此在高电压放电系统中，常常选用多个晶闸管串联的方法来增加整个开关的耐压。串联晶闸管开关电路结构如图2所示。

图2 晶闸管串联开关结构图

控制电路在门极输入信号，控制晶闸管导通，储能电容的高电压加载在晶闸管阴极与阳极之间，当导通时，电容通过晶闸管迅速放电，当放电后期电流小于晶闸管维持电流Ih时，晶闸管开关关断，放电停止，储能电容继续充电，完成一个放电周期。

晶闸管串联开关在使用时还要注意以下几点：

1）门极加载触发信号时间必须少于放电时间；晶闸管导通后要及时关闭触发信号［7］。

2）由于晶闸管串联开关在导通时所有串联的晶闸管需要同步导通，所以要尽量减小串联晶闸管的数量［7］，降低同步的困难。

3）串联晶闸管存在静态和动态分压不均问题，需要保护电路来调节电压平衡。

4）选用的晶闸管参数要尽可能地接近或者相同，这样可以减小晶闸管串联带来的均压不平衡问题。

晶闸管器件的过电压能力较差，通常要降压使用，以保护晶闸管不被损坏。考虑到脉冲放电中的过压问题，通常在电路设计中采用降压措施。晶闸管额定电压通过式（1）获得［8］。以放电电压Uc=10kV的声源系统为例，由于串联晶闸管的片数要尽量的少，当选取两片晶闸管串联作为放电开关时，可求得晶闸管额定电压U为

根据式（1），算得5.5kV≤U≤6.5kV ，故选择2片XFLJKP-400A7000V晶闸管串联作为放电开关用于本电路设计。

3.2 静态保护设计

串联晶闸管开关处于断态时，开关两端承受放电电压，由于器件的漏电电阻不同，导致晶闸管之间分压不均衡。通过静态分压电阻Rp与晶闸管并联的方式来维持电压均衡，达到静态均压保护目的［9］，电路原理如图3所示。

图3 静态保护示意图

均压电阻Rp要选择适合的阻值，Rp不能太大，要远小于晶闸管漏电阻，并联后电压才会取决于均压电阻［10］。同时，Rp不能过小，否则漏电流过大，开关起不到关断的作用。静态均压电阻计算公式为

式中UTn为晶闸管额定电压，IDRM为断态重复平均电流。式（2）的计算方法，只考虑晶闸管额定参数下的阻值，没有考虑在实际应用中参数的变化，现实中选取计算后较大的阻值。

由于采用的晶闸管额定电压为UTn=7000V，IDRM=10mA，可计算出均压电阻为

实际使用的均压电阻Rp=1MΩ。

3.3 动态保护

串联晶闸管开关在处于开通状态时，由于触发信号存在微小时间差，或者晶闸管器件本身的开通时间不一致，造成晶闸管导通时间不同，虽然时间很短，但是在高压系统中，会在后导通的晶闸管上产生瞬间高压，当电压过高，足以击穿晶闸管，使开关损坏。通常采用阻容吸收电路或瞬态电压抑制（TVS）电路，来解决动态分压不均的问题，实现动态保护［11］。

RC吸收电路，就是通过在晶闸管两端并联电阻Rs和电容C组成动态均压网络，对晶闸管实行动态均压保护［12］，如图4虚线框部分所示。

图4 RC吸收保护示意图

当T1先开通时，电流流入RC吸收回路，加载在T2上的过压分量就会很小，防止T2过压较大而损坏。

吸收回路中电阻一般取10Ω～30Ω，电容的计算公式为

式（4）和（5）中，IT为晶闸管的额定电流，UTm为晶闸管开关两端电压，n为串联晶闸管的个数，Uc为电容耐压值。

选用的晶闸管IT=400A、UTm=10kV、n=2，可算得动态均压电容 C=0.8μF～1.6μF ，电容的耐压值Uc＞5kV 。根据计算，取 Rs=20Ω，C=1μF，Uc=5kV。

瞬态电压抑制（TVS）电路，就是在晶闸管两端并联瞬态电压抑制二极管［13］。

图5 瞬态电压抑制保护示意图

如图5所示，当晶闸管两端电压过大时，并联在其两端的瞬态电压抑制二极管承受瞬时高电压，二极管被反向击穿，二极管阻抗立即降到很低值，允许电流从二极管上通过，并将晶闸管两端电压控制在二极管保护范围内，有效防止晶闸管因为过压而烧毁。

二极管1.5KE440AC相当于两个二极管反向串联，它既可保护晶闸管。二极管的击穿电压范围为440±22V，晶闸管的安全工作电压为4200V～4900V，所以要串联9个二极管，它们的击穿电压达到4000V左右，低于晶闸管的安全工作电压。当晶闸管导通时，出现瞬时高压，瞬态电压抑制二极管组将被击穿导通，将电压控制在安全范围，保护晶闸管［14］。

瞬态电压抑制二极管比RC吸收电路响应时间短，电路结构简单，更便于设备小型化。

4 晶闸管开关控制电路设计

水下等离子体声源放电系统中，放电开关的放电时机主要由加载在门极的控制信号来决定。用计算机输出Matlab程序生成的编码信息，通过一系列电路将编码信息信号调整为能驱动晶闸管开关的控制信号，控制声源系统的放电时机，使声脉冲具有携带编码信息的能力，控制电路结构框如图6所示。

图6 晶闸管开关编码控制电路框图

4.1 信号放大电路设计

晶闸管开关编码控制信号选用的脉冲位置调制（PPM）编码方式，基于Matlab线性输出PPM编码信息。

但是，计算机声卡输出电压幅度受到声卡硬件的限制，所以要在声卡输出后连接运算放大电路，运算放大电路如图7所示。

在图7中，信号放大电路采用的是OP27双电源供电芯片，计算机输出的PPM调制信号通过整流二极管，滤掉负电压部分，然后通过电容，滤掉交流部分，输入到OP27。在电路中，电阻R17和R19决定了电路的放大倍数n=R17R19=10倍，芯片供电为±12V，输入为1V，所以输出为10V，完全满足其他芯片驱动需要。

图7 信号放大电路

4.2 功率放大电路设计

高压大电流放电晶闸管，采用了放大门极结构，门极沟道的长度比较长，因此需要强触发才能缩小不同晶闸管的开通时延，从而减小动态均压不平衡问题［15］。晶闸管开关导通的时间随着触发信号的电流增大而减小，随着电压的升高而减小，一般采用电流上升沿陡峭的脉冲波作为强触发信号触发晶闸管开关。晶闸管门极控制电压VGT=2.17V，电流IGT=68mA，而大功率晶闸管需要强触发，故要将PPM调制信号先进行功率放大，然后作用到晶闸管的门极来驱动晶闸管导通，功率放大电路如图8所示。

图8 功率放大电路

当PPM调制信号经过运算放大后，先通过反向器使其高低电平反向，然后信号通过光耦TLP114，光耦又将输入信号反向，恢复PPM信号，同时光耦将调制信号和晶闸管的高电压隔离，防止高电压进入控制电路将其击穿发生危险。功率放大采用IRF530N芯片，最大输出电流为17A，最大输出电压为100V，功率70W，指标参数满足对晶闸管的驱动要求。