被“锁定”的反峰,晶闸管反峰的利用

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前言

在脉冲功率系统中半导体开关在高重频、紧凑化、触发延迟小、低抖动等方面有着其他类型开关无法比拟的优势、在众多半导体开关中晶闸管开关(又称可控硅)由于导通电流大、功率水平高等优点被广泛应用在脉冲功率系统中。本文结合晶闸管开关的典型应用案例来谈谈晶闸管如何锁定反峰,及如何利用反峰的能量。

更新历史

2020年4月17日 - 初稿

作者:海伏科技——小涛(转载注明出处)
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晶闸管如何锁定电容反峰

被锁定的反峰

图1:被锁定的反峰

如图1所示,晶闸管作为放电回路的开关,此脉冲功率系统的工作逻辑如下:

  • 通过高压电源给储能电容充电;
  • 达到设定电压后高压电源停止充电,保护电路可以是限流电阻或是高压继电器,如果是高压继电器应切断高压连接;
  • 通过触发系统触发晶闸管,此时储能电容通过放电回路快速放电;
  • 当电容电压降至0后,放电回路中续流二极管右侧的部分(包括模拟负载等)由于有电感的存在电流不会立刻消失,会通过放电回路中的续流二极管续流;
  • 由于放电电流较大,在放电回路中二极管左侧的部分如储能电容、晶闸管、导线上的杂散电感会导致储能电容中有一定的负压存在;
  • 当整个系统放电结束后,电容中的负压被晶闸管锁止;

如何处理电容中的反峰

方案一:更改电路连接方式,消除反峰

如果将上图放电回路中的续流二极管放在晶闸管之前,续流二极管与储能电容并联,即可消除反峰,修改后的电路如图2所示:

被锁定的反峰2

图2:防止晶闸管锁定反峰

但是,如此更改之后会导致晶闸管通过的电荷量增加。图1中在一个放电周期内通过晶闸管的电荷量约为电容中存储的电荷量;图2中一个放电周期内通过晶闸管的电荷量为电容中存储的电荷量加上续流二极管续流时通过的电荷量。根据放电回路中电容电感的参数不同,续流的电荷量有可能是电容中存储电荷量的几倍甚至十几倍,所以相应的也要增加晶闸管的容量。

方案二:外加泄放回路将反峰释放

如果保护电路是使用高压继电器将充电机与储能电容切断,在上一篇文章《直觉防反峰——高压继电器》中提到,在重新闭合高压继电器之前,一定要确保储能电容中不存在反压,否则会损坏高压电源。此时需要通过要加电路将储能电容中的负压释放掉,再闭合高压继电器,进行下一周期的充电。

方案三:通过外加电感对电容中的反压换向

当电容中反压过高时,如果通过电阻泄放反压会增加泄放电阻的负担,并且这部分能量也被白白浪费掉了。可以在储能电容上增加晶闸管及换向电感将储能电容中的电压换向,换向后进行下一个周期的充电,提高能量的利用效率。

总结

随着半导体技术的不断进步,晶闸管的容量不断加大,越来越多的脉冲功率系统使用晶闸管作为核心开关器件。由于其延迟低、重复性好、单相导通等特性可以在脉冲功率系统中产生很多优秀的电路组合。例如实现超级电容储能,谐振充电,主放电容恒压输出;电容器电压换向;等等很多优秀的应用这里不一一列举。

海伏科技多年来一直致力于中小型脉冲功率系统的集成与应用,针对可控硅开发了多款系统集成配件,包括电压采集、多路时序控制(可根据波形不同实时调整输出时序实现一些复杂的功能)、高隔离驱动、可控硅串联技术等等。如果您有脉冲功率相关的需求欢迎与我们联系。

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