晶闸管强触发电路设计_郭帆

第32卷第6期核电子学与探测技术Vol．32No．62012年6月Nuclear Electronics ＆Detection TechnologyJune．2012晶闸管强触发电路设计郭帆1，2，王海洋2，何小平2，周竞之2（1．西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，西安710049；2．西北核技术研究所，西安710024）摘要：为了研究晶闸管在强触发下的导通特性，利用功率MOSFET 的快开通特性和通流能力，设计了光纤控制晶闸管强触发电路。

该电路中晶闸管门极触发电流峰值范围为0．35 39．6A ，前沿范围为35 540ns ，电流上升率范围为3．4 83．3A /μs 。

实验结果表明，该电路参数调节范围宽，触发电流抖动小（小于4ns ），具有较高的稳定性和可靠性。

关键词：晶闸管；门极触发电流；强触发方式；功率MOSFET 中图分类号：TN 344文献标志码：A文章编号：0258-0934（2012）06-0698-03收稿日期：2011－11－07作者简介：郭帆（1985－），男，湖北天门人，硕士研究生，主要从事脉冲功率技术方面的研究。

功率半导体开关有着寿命长、重复频率高、误触发概率小和模块化等特点和优势［1－2］，在脉冲功率系统的紧凑化和重频化方向中具有很好的前景。

脉冲功率应用的特点与电力系统、工业生产等场合的不同，开关器件的瞬时功率通常很高，要求开关耐压高，通流大，延迟时间短，开通速度快，导通电阻小，损耗低，具有良好的导通特性。

同时满足所有要求是很困难的，在实际应用中首先满足耐压和通流条件然后再择优选择开关器件。

典型半导体开关晶闸管阻断电压高、通流能力强、易于串并联，在大功率脉冲装置中应用广泛［3－5］。

晶闸管的开通是由门极施加脉冲电流触发实现的，通常在电力和工业应用中，门极触发电流在几十到几百毫安之间，可以满足常规导通的要求。

但是脉冲功率系统中，在电路电流上升率d i /d t 很高时，百毫安量级的触发电流已经不能获得开关良好的导通特性了，甚至会由于开通区的局部过热导致晶闸管的烧毁；在开关串并联应用的情况下，其门极同步触发的稳定性和可靠性不高，也会影响到组件整体的性能。

因此，设计晶闸管强触发电路，研究强触发方式下的导通特性，对于提高晶闸管在脉冲功率技术应用中的性能具有重要意义。

相关文献表明，增大初始开通面积能够有效解决晶闸管的导通不充分问题，即门极触发电流幅值和触发电流上升率是调节触发电流的两个因素［6－9］。

本文利用光纤隔离电路和功率MOSFET ，设计了晶闸管强触发电路，印刷电路板结构紧凑，触发条件易于调节，触发信号的稳定性和可靠性高。

1强触发电路设计强触发电路由控制信号产生电路、光纤隔离电路和强触发形成电路3个部分组成，总体框图如图1所示。

控制信号产生电路能够满足外部同步触发和单次手动触发的要求，由钥匙开关控制触发方式。

光纤隔离电路通过电光转换后利用光纤来传输信号，解决晶闸管电路与控制信号电路之间共地干扰影响，达到隔离高压和提高触发系统的抗干扰能力的目的。

强触发形成电路中采用专用驱动电路，实现对MOS-FET 的高效快速触发，获得所要求的触发电流。

896图1强触发电路总体框图1.1控制信号产生电路控制信号产生电路，如图2所示。

控制信号由NE555单稳态触发式电路产生，经过74LS123通过R5调节输出脉宽对信号进行整形。

该电路可实现手动和同步2种触发方式，由钥匙开关S1选择。

当开关拨在上档时为同步触发方式，外同步信号经过光电耦合器6N137隔离后实现对NE555的触发；当开关拨在下档时为手动触发方式，按下触点开关S，即可实现单次手动触发。

另外，电源选用5V隔离电源模块供电，避免了地电位的变化对各个芯片工作状态的影响。

图2控制信号产生电路1.2光纤隔离电路晶闸管开通过程时电流较大，阴极电位会因此抬高，控制电路如果不通过隔离手段直接接入晶闸管门极和阴极，开通过程中将会受到干扰，严重时造成电路板器件击穿烧毁，甚至危及操作员安全。

传统的脉冲变压器隔离同样会由于初次级线圈的相互耦合而难以彻底解决电磁干扰问题。

本文采用光纤隔离电路，即控制信号经电光转换电路变成光信号，通过光纤传输，然后经过光电转换电路再变成电信号，输入到驱动电路来触发MOSFET，形成强触发电流开通晶闸管。

电路图如图3所示。

选用的光纤发射器和接收器的型号为HFBR1414和HFBR2414。

图3光电隔离电路光纤控制方式适合远距离传输信号，不会产生电缆长距离传输过程中信号衰减现象，一方面起到隔离高压的作用，另一方面不受电磁干扰的影响而避免了晶闸管的误触发。

1.3强触发形成电路为了实现强触发电流峰值和上升率，首先要求MOSFET充分导通，因此需要专门的驱动电路。

实验中选用UCC27321作为驱动电路中的驱动芯片。

该芯片具有良好的驱动特性，能够快速驱动MOSFET，减小开通和关断损耗，而且外围电路简单，可靠性高。

采用的MOSFET 为IRF530，其典型参数为：漏源极电压VDSS=100V；最大导通脉冲电流IPC=56A；上升时间tr=34ns。

实验电路如图4所示。

图4强触发形成电路直流电源E1通过充电电阻R1给电容C充电，当IRF530门极施加触发信号后，开关导通，电容C通过IRF530，可变电阻Rv，晶闸管门极和阴极放电，形成脉冲电流对晶闸管进行触发。

稳压二极管D用来保护晶闸管，防止晶闸管门极与阴极电压过高而损坏。

门极触发电流幅值通过直流电源E1的充电电压调节，触发电流前沿通过可变电阻Rv调节。

2实验结果与分析实验中数字示波器选用Tektronix TDS2024B型，带宽为200MHz；电压探头选用996FLUKE PM8918型，分压比为10：1；电流线圈选用Pearson 公司的，电流电压比为1：1。

图5是电容C 充电50V ，可变电阻R v 分别为0，2．3，5．2，10．2Ω时典型的晶闸管门极触发电流波形，其中电流峰值最大达到38A ，前沿最快为88ns ，电流上升率最大为76．4A /μs 。

从图中可以看出，后三3个电流波形被截断。

这是由于可变电阻阻值较小时，电流底宽小于控制信号脉宽设定的12μs ，电流波形为全波形，而可变电阻阻值较大时，电流底宽大于12μs ，MOSFET 关断后，电流波形被截断。

图5强触发电流典型波形快脉冲电路中的杂散电感不能忽略，当电路电感为定值时，触发电流前沿t r 主要由电容电压U c 和可变电阻R v 决定。

可变电阻R v 越小，电流峰值越大，电流前沿t r 也越大，反之亦然；当电路电阻为定值时，触发电流上升率主要由电容电压U c 决定，电容充电电压U c 越大，电流峰值越大，电流上升率也越大。

表1不同峰值和不同前沿的触发电流及其抖动U c /V R v /ΩI G /A t r /ns t j /ns 70．010．25．992．52．070．05．210．1149．43．370．02．319．8322．03．848．00．039．6475．43．7实验中获得了不同的晶闸管门极触发电流，峰值范围为0．35 39．6A ，前沿范围为35 540ns ，电流上升率为3．4 83．3A /μs 。

不同峰值、前沿的触发电流及其抖动如表1所示。

其中U c 表示电容充电电压值，R v 表示可变电阻值，I G 表示门极触发电流峰值，t r 表示门极触发电流前沿，t j 表示门极触发电流抖动。

从表中可以看出，随着可变电阻阻值的减小，门极触发电流峰值增加，前沿也增加，抖动都小于4ns 。

3结论利用MOSFET 设计了晶闸管强触发电路，获得的晶闸管门极触发电流峰值最大值为39．6A ，前沿最小值为35ns ，电流上升率最大值83．3A /μs 。

强触发电路简单，控制方便、安全、可靠，参数调节范围宽。

实验结果表明，该电路触发电流抖动小，稳定性和可靠性高，达到了设计的要求，为下一步晶闸管强触发导通特性的研究打下了基础。

参考文献：［1］Mark S．E．Final results from the high －current ，high－action closing switch test program at sandia national laboratories ［J ］．IEEE Trans on Plasma Sci ，2000，28（5）：1451－1455．［2］孟志鹏，张自成，杨汉武，等．半导体开关在脉冲功率技术中的应用［J ］．中国物理学报，2008，32：277－279．［3］E．Ramezani ，E．Spahn ，G．Bruderer．A novel highcurrent rate SCR for pulse power appli －cations ［J ］．IEEE Trans on Plasma Sci ，1997，28（5）：1016－1020．［4］S．Ishii ，K．Yasuoka ，S．Ibuka．Pulsed Power Ap-plication Assisted by Power Semicondutor Devices ［C ］//Proceedings of 2001International Symposium on Power Semicondutor Devices ＆ICs ，2001：11－14．［5］M．Jung ，W．Mayerhofer ，M．Edele ，et al．Test offast SCRs as spark gap replacement ［C ］//Pulsed Pow-er Conference ，1995．Digest of Technical Papers．The 10th IEEE international ，1995：729－732．［6］Hudgins Jerry L ，Portnoy William M．Gating effectson thyristor anode current di /dt ［J ］．IEEE Trans on Plasma Sci ，1987，2（2）：149－153．［7］叶斌．电力电子应用技术［M ］．北京：清华大学出版社，2006．［8］维捷斯拉夫·本达，约翰·戈沃，邓肯A．格兰特．功率半导体器件———理论及应用［M ］．北京：化学工业出版社，2005．［9］H．Bluhm．脉冲功率系统的原理与应用［M ］．北京：清华大学出版社，2008．（下转第731页，Continued on page 731）07The Design and Realization of the Radwaste DepositoryMonitoring and Management SystemXIONG Jian－ping1，LI Guang－xu2，CHENG Jin－xing1，ZHOU Song－bang1，ZHU Kai－qing1（1．Qinghe Building No．8，Beijing100085，China，2．96351Troops，Yuzhong Gansu720102，China）Abstract：Aiming at the possible hidden troubles of the radwaste depository，the paper designes a safety surveil-lance system based on a industry control computer．This soft and hardware system includes fire exploration，radi-ation detection，video monitoring and wireless IC management．The paper brings out the system components，and describes the work theory，soft and hardware frame．Key words：radwaste；depository safety；radiationdetection；video monitoring；fire exploration（上接第700页，Continued from page700）Design of High Current Gate Circuit ofThyristor Based on MOSFETGUO Fan1，2，WANG Hai－yang2，HE Xiao－ping2，ZHOU Jing－zhi2（1．State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment，Xi’an JiaoTong University，Xi’an710049，China，2．Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi’an710024，China）Abstract：In order to study the characteristics of thyristor，basing on MOSFET with fast switching and high pulsed current，high current gate circuit of thyristor has been designed．Peak gate current is varied from0．35 39．6A，leading edge from35 540ns and di/dt from3．4 83．3A/us．Results indicate that the circuit is stable and reliable for triggering thyristor and the jitter of pulsed current is less than4ns．Key words：thyristor；gate current；high current triggering mode；power MOSFET137。