脉冲电源中晶闸管触发系统设计

  （1）脉冲电源中的晶闸管触发电路工作在高压强磁场环境中，要有良好的抗电磁干扰性能和电气隔离，一般在信号接收电路与主电路之间通过变压器和高压光耦隔离。为避免晶闸管误触发导致非常严重后果，需要设计信号使能电路，以提高电路的抗干扰能力。

  （2）脉冲电源中晶闸管采用多片串联的方式，对晶闸管触发开通的一致性有很高的要求。触发脉冲要有一定的幅值和陡度。门极触发脉冲幅值越大，触发电流越大，则晶闸管开通所需要的时间就越短。脉冲上升沿越陡，晶闸管的开通延时受制造工艺、温度、电压等因素的影响就越小。

  应用于电磁发射等系统的脉冲电源具有高电压、大电流和能量释放快的特点，其工作电压通常为几kV到十几kV，工作电流大于100kA，放电时间小于10ms。目前市场上的大功率晶闸管大部分采用单晶硅作为材料，其工作电压和工作电流相比碳化硅材料的晶闸管有很大的差距。为满足脉冲电源对高电压、大电流和导通速度快的需求，一般采用更大尺寸的晶闸管，并将几个晶闸管串联使用。针对脉冲电源对晶闸管的工作要求，要设计脉冲电源中的晶闸管触发系统。

  （3）大功率晶闸管从接收到触发信号到晶闸管完全开通，之间有开通延时时间，触发脉冲的宽度须要大于开通延时，才可能正真的保证晶闸管的开通。触发电路产生的触发脉冲必须大于一定宽度才可能正真的保证晶闸管的可靠开通。

  晶闸管（Thyristor，也称可控硅-SCR）是目前具有较高耐压容量与较高电流容量的器件，目前国内与国外水平差距不太大。国内较高水平的产品可在6英寸的硅片上工业化生产6.5kV/200kA的晶闸管，10ms底宽下能承受脉冲峰值电流200kA。在脉冲功率电源中，工作电压较高，因此，一般根据工况，采用多个硅片串联后并联的方式工作。晶闸管相对而言成本较低，可靠性高，是脉冲功率源开关比较理想的选择。

  摘 要：大功率脉冲电源普遍采用晶闸管作为电路的主开关，目前单片晶闸管的耐压较低，通常将晶闸管串联使用。文章针对脉冲电源中晶闸管的工作特点，设计了一种串联晶闸管光电隔离同步触发系统，该系统采用光纤触发方式，接收光触发信号产生晶闸管触发脉冲电流，使晶闸管同步快速可靠导通。实验根据结果得出，该电路可实现串联脉冲电源中晶闸管的可靠触发。

  晶闸管工作原理可以用双晶体管模型来解释，见图1。一个晶闸管可以看做由PNP和NPN两种形式的晶体管组合而成，在晶闸管两端施加正向电压时，即UAK0，三个PN结中J1结和J3结处于轻微的正向偏置，J2结处于反向阻断状态，承受几乎所有的外部电压，仅有极小的漏电流通过晶闸管本体。如果外电路向门极注入电流IG，则相当于向NPN型晶体管注入基极电流，使其产生集电极电流Ic1，NPN晶体管导通，主电流从其集电极流向发射极。NPN晶体管集电极电流的流出给PNP晶体管基极提供了开通电流，促使了PNP晶体管的导通。而PNP的导通又从AK间获取电流，从PNP的发射极流入，集电极流出，同时注入到NPN的基极促使NPN的进一步开通，这样形成了一个正反馈过程。当正反馈进行到某些特定的程度，NPN和PNP两个晶体管都进入到饱和状态，则晶闸管开通。此时晶闸管AK间电阻极低，呈现低电压大电流状态。在晶闸管导通之后，它的导通状态完全依靠自身的正反馈作用来维持，即便去掉门极电流，晶闸管依然处于导通状态。因此，门极触发晶闸管使其导通，在导通以后，门极就失去了其控制作用。想要关闭晶闸管，必须将阳极电流减小到维持电流以下。能采用将AK间电压断开和改变电压方向的方法关断晶闸管。

  近年來，电容储能脉冲电源发展十分迅速，在电磁发射、高功率微波和高功率激光等新概念武器中得到了广泛应用。脉冲电源主要由脉冲电容器、调波电感、大功率晶闸管、续流二极管组成。其工作原理是脉冲电容器作为储能元件充电到标称电压，大功率晶闸管接收触发信号导通，在电流上升阶段，脉冲电流经晶闸管、二极管、调波电感释放到负载，在电流下降阶段，由续流二极管提供电流回路。

  根据设计的脉冲电源工作电压V≥10kV和输出电流I≥100kA的指标，选择五寸晶闸管3个串联使用，其工作参数为电压VDSM=5200V，最大脉冲电流Ipluse=2Βιβλιοθήκη Baidu0kA。晶闸管触发系统的作用是在脉冲电源充电完成时，接收触发放电信号，产生晶闸管门极触发脉冲。为了能够更好的保证晶闸管可靠地开通，对晶闸管触发系统有以下要求：