晶闸管强触发电路设计_郭帆

第32卷第6期

2012年6月

核电子学与探测技术

NuclearElectronics＆DetectionTechnology

Vol．32June．

No．62012

晶闸管强触发电路设计

1，2222

郭帆，王海洋，何小平，周竞之

（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：

TN344

文献标志码：

0934（2012）06-0698-03文章编号：0258-

功率半导体开关有着寿命长、重复频率高、

［1－2］

，误触发概率小和模块化等特点和优势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

易于串并联，在大功率脉冲装置中应用能力强、广泛

［3－5］

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，研究对于提高晶闸管在强触发方式下的导通特性，

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即门极触发效解决晶闸管的导通不充分问题，

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。

。晶闸管的开通是由门极施加脉冲电

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

通常在电力和工业应用中，门极流触发实现的，

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di/dt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

其门极同步触毁；在开关串并联应用的情况下，

总体离电路和强触发形成电路3个部分组成，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。

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。

698

接收器的型号为HFBR1414和HFBR2414

。

图3

图1

强触发电路总体框图

光电隔离电路

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

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，一另一方面不受电磁方面起到隔离高压的作用，

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

。

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

图4强触发形成电路

晶闸管开通过程时电流较大，阴极电位会

控制电路如果不通过隔离手段直接因此抬高，

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

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TektronixTDS2024B型，带宽为200MHz；电压探头选用

699

FLUKEPM8918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Rv分别

2．3，5．2，10．2Ω时典型的晶闸管门极触为0，

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

电流底宽断。这是由于可变电阻阻值较小时，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

。

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

稳定性和可靠性高，达到了设计发电流抖动小，

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。

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图5强触发电流典型波形

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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tr主要由电容电压Uc和可变电阻Rv决定。可变电阻Rv越小，电流峰值越大，电流前沿tr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Uc决定，电容充电电压Uc越大，电流峰值越大，电流上升率也越大。

表1

Uc/V70．070．070．048．0

不同峰值和不同前沿的触发

电流及其抖动

Rv/Ω10．25．22．30．0

IG/A5．910．119．839．6

tr/ns92．5149．4322．0475．4

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（下转第731页，Continuedonpage731）

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。

Rv表示可变电阻其中Uc表示电容充电电压值，

IG表示门极触发电流峰值，tr表示门极触发值，

tj表示门极触发电流抖动。从表中可电流前沿，

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。700

TheDesignandRealizationoftheRadwasteDepository

MonitoringandManagementSystem

XIONGJian－ping1，LIGuang－xu2，CHENGJin－xing1，ZHOUSong－bang1，ZHUKai－qing1

（1．QingheBuildingNo．8，Beijing100085，China，2．96351Troops，YuzhongGansu720102，China）

Abstract：Aimingatthepossiblehiddentroublesoftheradwastedepository，thepaperdesignesasafetysurveil-radi-lancesystembasedonaindustrycontrolcomputer．Thissoftandhardwaresystemincludesfireexploration，ationdetection，videomonitoringandwirelessICmanagement．Thepaperbringsoutthesystemcomponents，anddescribestheworktheory，softandhardwareframe．

Keywords：radwaste；depositorysafety；radiationdetection；videomonitoring；fireexploration

（上接第700页，Continuedfrompage700）

DesignofHighCurrentGateCircuitof

ThyristorBasedonMOSFET

GUOFan1，，WANGHai－yang2，HEXiao－ping2，ZHOUJing－zhi2

（1．StateKeyLaboratoryofElectricalInsulationandPowerEquipment，Xi’anJiaoTongUniversity，Xi’an710049，China，2．NorthwestInstituteofNuclearTechnology，Xi’an710024，China）

Abstract：Inordertostudythecharacteristicsofthyristor，basingonMOSFETwithfastswitchingandhighhighcurrentgatecircuitofthyristorhasbeendesigned．Peakgatecurrentisvariedfrom0．35～pulsedcurrent，

39．6A，leadingedgefrom35～540nsanddi/dtfrom3．4～83．3A/us．Resultsindicatethatthecircuitisstableandreliablefortriggeringthyristorandthejitterofpulsedcurrentislessthan4ns．Keywords：thyristor；gatecurrent；highcurrenttriggeringmode；powerMOSFET

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