脈沖功率技術(shù)對放電開(kāi)關(guān)的要求是開(kāi)關(guān)的動(dòng)作速度必須很快，額定電流大，導通時(shí)開(kāi)關(guān)的導通電阻要小。早期采用汞引燃管，火花隙等作放電開(kāi)關(guān)。隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，先是出現了普通晶閘管，但普通晶閘管的開(kāi)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間都很長(cháng)，特別是當負載為感性時(shí),普通晶閘管的開(kāi)通時(shí)間甚至需要幾百μs，關(guān)斷時(shí)間也需要幾百μs。這在要求重復頻率達200Hz的加速器電源上是無(wú)法使用的。隨著(zhù)導通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間都在10μs以下的快速晶閘管的出現，特別是大電流快速晶閘管的成功研制，使得這種電力電子器件能夠進(jìn)入大電流快速放電開(kāi)關(guān)的領(lǐng)域，并逐漸顯示其優(yōu)越性。本文介紹快速晶閘管KK400和KK1000在某加速器電源系統中的應用。

系統基本原理
   
整個(gè)電源系統輸出電流脈沖的重復頻率為200Hz，在系統開(kāi)始工作前，先要通過(guò)普通變壓器T1為脈沖電容器C2預充電到400V，以后便可斷開(kāi)普通變壓器T1進(jìn)行重復頻率運行。圖1是系統原理圖，電路工作原理如下。

圖1：系統工作原理   

1）預充電過(guò)程三相交流電經(jīng)半波整流對電解電容C1經(jīng)限流電阻R1預充電到250V，然后改由快速晶閘管KK0對電解電容C1直接充電到310V。在電解電容C1充電時(shí)，A相電壓經(jīng)變壓器升壓全橋整流后經(jīng)限流電阻R2對脈沖電容C2充電到400V。預充電結束后變壓器通過(guò)繼電器與脈沖電容器隔離。
   
2）重復頻率工作過(guò)程C2對變壓器T2放電，快速晶閘管KK3過(guò)零關(guān)斷，電容C2上的剩余電壓反向。利用KK2導通，C2、L諧振實(shí)現電容C2上電壓再次反向，電壓極性恢復到初始狀態(tài)，但幅度已減小。再導通KK1通過(guò)L、C2的諧振使C2上電壓幅度也恢復到初始狀態(tài)，電源工作的一個(gè)周期完成。又可開(kāi)始下一個(gè)周期的工作。

系統中快速晶閘管的選用
   
KK0選擇通態(tài)電流為400A的快速晶閘管（KK400）三只，分別用作A、B、C三相電路的整流管，KK1和KK2都是六只通態(tài)電流為1000A的快速晶閘管（KK1000）并聯(lián)使用，KK3是十只通態(tài)電流為1000A的快速晶閘管（KK1000）并聯(lián)使用。
   
從圖1可見(jiàn)，除KK0外，KK1、KK2、KK3的負載都是感性負載。在本系統中晶閘管KK0的觸發(fā)信號由對應相經(jīng)半波整流提供，當某相電壓高于電容C1上電壓時(shí)，則那一相晶閘管就導通，直接對電容C1充電?？焖倬чl管KK1、KK2、KK3的觸發(fā)信號由計算機內控制板卡定時(shí)給出。根據圖1分析知，必須保證三組晶閘管的可靠轉換，即KK3導通截止后，再導通KK2，KK2截止后再導通KK1，KK1截止后再導通KK3。如此電源作重復頻率運行，當電源運行在重復頻率達200Hz時(shí)，這樣一個(gè)工作周期僅5ms，KK1、KK2、KK3的換相都是采用負載換相，即當快速晶閘管中電流下降為零時(shí)，晶閘管承受反向電壓自然關(guān)斷。因此晶閘管的開(kāi)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間都必須很小，普通晶閘管是滿(mǎn)足不了要求的。

快速晶閘管觸發(fā)電路設計
   
圖2是快速晶閘管KK0的觸發(fā)電路。KK0的觸發(fā)是利用電源電壓經(jīng)二極管D整流實(shí)現同步觸發(fā)。這樣當某相電壓高于電容C1上電壓時(shí)，觸發(fā)極與陰極間也承受正向電壓，晶閘管觸發(fā)導通，實(shí)現對電容C1上能量的快速補充。電容充電回路中不加限流電阻一方面保證了電容C1上電壓的快速恢復到310V左右，另一方面電容C1上電壓的迅速上升避免了觸發(fā)極與陰極間電壓過(guò)高而損壞晶閘管。

圖2：KK0觸發(fā)電路 

圖3是快速晶閘管KK1、KK2、KK3的觸發(fā)電路。由于KK1、KK2、KK3的觸發(fā)信號由計算機內控制板卡上的8253定時(shí)/計數芯片產(chǎn)生，為了將產(chǎn)生觸發(fā)信號的計算機與主放電回路在電氣上隔離，系統設計采用了兩級脈沖變壓器隔離。一級用于將計算機輸出的低壓小功率信號經(jīng)功率放大、脈沖變壓器隔離實(shí)現觸發(fā)功率的放大，再提供給第二級并聯(lián)的6個(gè)（觸發(fā)KK1、KK2）或10個(gè)（觸發(fā)KK3）降壓脈沖變壓器觸發(fā)各個(gè)并聯(lián)的晶閘管。通過(guò)兩級隔離一方面實(shí)現了計算機與主放電回路在電氣上的隔離，另一方面實(shí)現了功率放大，滿(mǎn)足了多只晶閘管并聯(lián)運行觸發(fā)功率的要求。

圖3：KK1、KK2、KK3觸發(fā)電路

快速晶閘管應用中幾個(gè)問(wèn)題的解決

快速晶閘管觸發(fā)驅動(dòng)問(wèn)題
   
本系統中由于感性負載的存在（其中KK2的負載為純電感），陽(yáng)極電流上升率慢。因此雖然我們已選擇了導通時(shí)間小于4μs的快速晶閘管，但為了保證系統的安全可靠運行，設計觸發(fā)系統時(shí)仍適當加大了觸發(fā)脈寬和觸發(fā)電壓。實(shí)驗證明10μs的觸發(fā)脈寬，7V的觸發(fā)電壓能保證系統中晶閘管的可靠觸發(fā)。

快速晶閘管過(guò)電流保護措施
   
從圖1的原理介紹可知，當電解電容C1上電壓達260V時(shí)，改由KK0不經(jīng)限流電阻直接對電容C1充電。此時(shí)KK0可能通過(guò)很大的浪涌電流，管芯發(fā)熱嚴重，如果不采取強有力的散熱措施，晶閘管很易損壞。另外，KK1、KK2、KK3的運行電流也非常高。為解決
   
這一難題，系統采取對所有快速晶閘管進(jìn)行高速循環(huán)水冷的措施，為晶閘管的散熱創(chuàng )造良好的條件。

快速晶閘管開(kāi)關(guān)過(guò)程過(guò)電壓保護
   
在本系統中由于感性負載的存在，晶閘管開(kāi)關(guān)過(guò)程中，尤其是在電流過(guò)零關(guān)斷過(guò)程中容易受到尖峰電壓的沖擊，此尖峰電壓一旦超過(guò)晶閘管所能承受的電壓，晶閘管就會(huì )被擊穿而損壞。為了防止這種情況出現，設計系統時(shí)選擇了RC阻容吸收電路，將47Ω的電阻及0.15μF的電容并聯(lián)跨接在快速晶閘管的陽(yáng)極和陰極間，如圖2和圖3所示。

通過(guò)采取快速晶閘管并聯(lián)運行，滿(mǎn)足了系統大電流運行的要求。通過(guò)兩級脈沖變壓器隔離放大解決了觸發(fā)電路與主電路的電氣隔離，也滿(mǎn)足了多只晶閘管同時(shí)觸發(fā)的同步和功率要求。阻容吸收電路和高速循環(huán)水冷裝置的設計，保證了快速晶閘管的安全運行。實(shí)驗證明快速晶閘管應用在本加速器電源系統中具有運行可靠，壽命長(cháng)，安裝方便，無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)。隨著(zhù)更大容量快速晶閘管的出現，這種電力電子器件必將在更大功率的加速器電源中得到進(jìn)一步的推廣應用。