一種與觸發真空開關配套使用的有源觸發裝置的製作方法

2023-06-10 04:43:41

本發明屬於大功率脈衝技術領域，更具體地，涉及一種與觸發真空開關配套使用的有源觸發裝置。

背景技術：

觸發真空開關是一種將真空開關技術和三電極火花技術結合在一起的新型器件，並且在大功率脈衝系統中得到了應用，觸發真空開關的觸發方式有雷射觸發和脈衝觸發兩種，兩者的區別在於前者使用雷射照射產生初始等離子體，脈衝觸發是通過擊穿沿面產生初始等離子體。對於觸發真空開關的觸發源，其主要特徵由觸發電壓，觸發電流兩個量表徵。

觸發真空開關的工作存在如下技術問題：(1)觸發真空開關在電力系統中使用時，由於開關電壓會變成工頻交流電，電壓會變成負壓，在此情況下觸發真空開關的工作方式變成了負極性觸發，觸發真空開關在負極性模式下工作不可靠。(2)觸發真空開關的開通不應一味追求觸發電壓大，過高電壓會使得觸發真空開關尾部放電。

技術實現要素：

針對現有技術的缺陷，本發明的目的在於提供一種與觸發真空開關配套使用的有源觸發裝置，旨在解決觸發真空開關在正極性條件下不能百分之百可靠導通問題。

本發明提供了一種與觸發真空開關配套使用的有源觸發裝置，包括：光信號產生電路，晶閘管觸發電路，脈衝產生電路和有源續流電路；所述晶閘管觸發電路的輸入端連接至光信號產生電路的輸出端，所述晶閘管觸發電路先後分別輸出第一脈衝信號和第二脈衝信號，脈衝產生電路的輸入端和有源續流電路的輸入端均連接至晶閘管觸發電路的輸出端，脈衝產生電路的輸出端和有源續流電路的輸出端均用於連接觸發真空開關的輸入端，所述脈衝產生電路根據所述第一脈衝信號輸出第一觸發信號並控制觸發真空開關擊穿觸發沿面，所述有源續流電路根據所述第二脈衝信號輸出第二觸發信號並控制觸發真空開關經觸發沿面續流。

脈衝產生電路通過開通晶閘管，使儲能電容經脈衝變壓器對觸發沿面放電。在觸發沿面擊穿後對觸發沿面放電，以提高初始等離子體的數量以及增加觸發沿面的導通時間。

更進一步地，所述光信號產生電路包括：第一觸發器U1、第二觸發器U2、第三觸發器U3、第一非門U4、第二非門U5、第一光纖發射頭D1、第二光纖發射頭D2、閉合開關S1、電R1、電阻R2、電容C1、電阻R3、電容C2、電阻R4、電容C3、電阻R5和電阻R6；所述第一觸發器U1的電源端VCC連接至5V電壓，所述第一觸發器U1的CLR端連接至5V電壓，所述第一觸發器U1的上升沿輸入端1A通過閉合開關S1連接至5V電壓，所述第一觸發器U1的下降沿輸入端1B通過電阻R1連接至5V電壓，所述第一觸發器U1的下降沿輸入端1B還接地；所述第一觸發器U1的外接定時電阻口1Rext/Cext通過電阻R2連接至5V電壓，所述第一觸發器U1的外接定時電容口1Cext通過電容C1連接至5V電壓；所述第二觸發器U2的電源端VCC連接至5V電壓，所述第二觸發器U1的CLR端連接至5V電壓，所述第二觸發器U2的上升沿輸入端1A連接至所述第一觸發器U1的正輸出端1Q，所述第二觸發器U2的下降沿輸入端1B接地；所述第二觸發器U2的外接定時電阻口1Rext/Cext通過電阻R3連接至5V電壓，所述第二觸發器U2的外接定時電容口1Cext通過電容C2連接至5V電壓；所述第三觸發器U3的電源端VCC連接至5V電壓，所述第三觸發器U3的CLR端連接至5V電壓，所述第三觸發器U3的上升沿輸入端1A連接至5V電壓，所述第三觸發器U3的下降沿輸入端1B連接至第一觸發器U1的正輸出端1Q；所述第三觸發器U3的外接定時電阻口1Rext/Cext通過電阻R4連接至5V電壓，所述第三觸發器U3的外接定時電容口1Cext通過電容C3連接至5V電壓；所述第一非門U4的輸入端連接至第二觸發器U2的正輸出端1Q，所述第一光纖發射頭D1的陰極連接至所述第一非門U4的輸出端，所述第一光纖發射頭D1的陽極通過所述電阻R5連接至5V電壓；所述第二非門U5的輸入端連接至第三觸發器U3的正輸出端1Q，所述第二光纖發射頭D2的陰極連接至所述第二非門U5的輸出端，所述第二光纖發射頭D2的陽極通過所述電阻R6連接至5V電壓。

更進一步地，所述晶閘管觸發電路包括：光纖信號接收頭U6、MOS管Q、MOS管驅動晶片U7、電感L1、電阻R7、電阻R8、電阻R9、電阻R10、電阻R11、電阻R12、電阻R13、電阻R14、電阻R15、電容C4、電容C5、發光二極體D3、二極體D4、二極體D5、二極體D6、二極體D8、二極體D9、穩壓二極體D7和MOS管Q脈衝變壓器T1；所述電容C4的一端通過依次串聯連接的電阻R7和電感L1連接至15V電壓，所述電容C4的另一端接地；發光二極體D3的陽極通過電阻R8連接至所述電容C4的一端，發光二極體D3的陰極接地；MOS管Q脈衝變壓器T1的初級繞組的一端通過電阻R9連接至所述電容C4的一端，MOS管Q脈衝變壓器T1的初級繞組的另一端連接至MOS管Q的漏極；二極體D4的陰極連接至T1的初級繞組的一端，二極體D4的陽極通過電阻R10連接至MOS管Q的漏極；MOS管Q的源極接地，MOS管Q的柵極通過電阻R13連接至U7的輸出端OUT；穩壓二極體D7的陰極連接至MOS管Q的柵極，穩壓二極體D7的陽極接地；所述電阻R12與所述穩壓二極體D7並聯連接；所述二極體D5的陰極連接至T1的次級繞組的一端，所述二極體D5的陽極連接至T1的次級繞組的另一端，所述二極體D6的陽極連接至T1的次級繞組的一端，所述電阻R11的一端與所述二極體D6的陰極連接後作為所述晶閘管觸發電路的輸出端正極；所述電阻R11的另一端連接至T1的次級繞組的另一端；光纖信號接收頭U6的電源端Vcc連接至5V電壓，光纖信號接收頭U6的地端GND接地；電容C5連接在所述光纖信號接收頭U6的電源端Vcc與地端GND之間；二極體D8和二極體D9依次串聯連接在5V電壓與地之間，二極體D8和二極體D9的串聯連接端與光纖信號接收頭U6的DATA端連接；電阻R15連接在5V電壓與光纖信號接收頭U6的DATA端之間；MOS管驅動晶片U7的電源端連接15V電壓，MOS管驅動晶片U7的輸入端IN連接至光纖信號接收頭U6的DATA端，MOS管驅動晶片U7的地端接地；電阻R14連接在15V電壓與U7的輸出端OUT之間。

更進一步地，所述脈衝產生電路包括：晶閘管SCR1、電容C7、二極體D10和脈衝變壓器T2；所述晶閘管SCR1的陽極作為所述脈衝產生電路輸入端正極，所述晶閘管SCR1的陰極連接至脈衝變壓器T2的初級繞組的一端，所述電容C7的一端連接至所述晶閘管SCR1的陽極，二極體D10的陰極連接至脈衝變壓器T2的初級繞組的一端，所述電容C7的另一端、二極體D10的陽極和脈衝變壓器T2的初級繞組的另一端連接後作為所述脈衝產生電路輸入端負極；所述脈衝變壓器T2的次級繞組作為所述脈衝產生電路的輸出端。

更進一步地，有源續流電路包括：二極體D11、二極體D12、二極體D13、二極體D14、電阻R16、電阻R17、電阻R18、電阻R19、電阻R20、二極體D15、電容C8、晶閘管SCR2、二極體D15、電阻R21和變壓器T3；二極體D11的陰極作為所述有源續流電路的輸入端正極，二極體D11的陽極通過依次串聯的二極體D12、二極體D13和二極體D14連接至晶閘管SCR2的陰極，二極體D15的陰極連接至晶閘管SCR2的陽極，二極體D15的陽極通過電阻R21連接至變壓器T3的初級繞組的一端；電阻R16與二極體D11並聯連接；電阻R17與二極體D12並聯連接；電阻R18與二極體D13並聯連接；電阻R19與二極體D14並聯連接；電阻R20的一端連接至晶閘管SCR2的陰極，二極體D15的陰極連接至晶閘管SCR2的陰極，電容C8的一端連接至二極體D15的陰極；電阻R20的另一端、二極體D15的陽極和電容C8的另一端均連接至變壓器T3的初級繞組的另一端；變壓器T3的次級繞組作為所述有源續流電路的輸出端。

多個二極體以及一個晶閘管保證電容放電可靠且單向流通。多個電阻與二極體並聯以保證二極體分壓均勻避免損壞。發出的兩路觸發信號具有穩定的時間差，使得脈衝產生電路的脈衝和有源續流電路的脈衝到達觸發沿面時間可調，防止過電壓損壞半導體器件。在電路出現振蕩的時候，反向電流通過續流二極體釋放。利用單穩態觸發器產生穩定可調節的具有一定時間差的脈衝。光信號通過轉換為MOS管的觸發信號，晶閘管的電壓信號由更大的電容給出，提升了輸出帶負載的能力。

本發明提供了一種能夠提供大觸發能量的觸發源，保證觸發真空開關在正極性工作時百分之百可靠開通，在負極性工作模式下觸發成功率有效提升，有源續流觸發源的觸發電壓可高達15kV至20kV，觸發電壓可達680A，觸發時導通時間，相比於其他無緣續流觸發源工作特性得到了明顯提高，並且其觸發裝置做到了小型化，可廣泛與觸發真空開關配合使用。

附圖說明

圖1是本發明實施例提供的與觸發真空開關配套使用的有源觸發裝置的原理框圖。

圖2是本發明實施例提供的與觸發真空開關配套使用的有源觸發裝置中光信號產生電路的具體電路原理圖。

圖3是本發明實施例提供的與觸發真空開關配套使用的有源觸發裝置中晶閘管觸發電路的具體電路原理圖。

圖4是本發明實施例提供的與觸發真空開關配套使用的有源觸發裝置中脈衝產生電路和有源續流電路的具體電路圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。

為了更進一步的說明本發明實施例提供的與觸發真空開關配套使用的有源觸發裝置，現結合附圖和具體實例詳述如下：

圖1示出了本發明實施例提供的與觸發真空開關配套使用的有源觸發裝置的原理框圖，為了便於說明，僅示出了與本發明實施例相關的部分，詳述如下：

與觸發真空開關配套使用的有源觸發裝置包括：光信號產生電路，晶閘管觸發電路，脈衝產生電路和有源續流電路；晶閘管觸發電路的輸入端連接至光信號產生電路的輸出端，晶閘管觸發電路先後分別輸出第一脈衝信號和第二脈衝信號，脈衝產生電路的輸入端和有源續流電路的輸入端均連接至晶閘管觸發電路的輸出端，脈衝產生電路的輸出端和有源續流電路的輸出端均用於連接觸發真空開關的輸入端，脈衝產生電路根據第一脈衝信號輸出第一觸發信號並控制觸發真空開關擊穿觸發沿面，源續流電路根據第二脈衝信號輸出第二觸發信號並控制觸發真空開關經觸發沿面續流。

光信號產生電路產生光信號，通過光纖傳遞到兩套晶閘管觸發電路，兩套晶閘管觸發電路先後產生脈衝，脈衝產生電路首先觸發，擊穿觸發沿面，然後有源續流迴路觸發，經觸發沿面續流。光信號電路發出的兩路觸發信號具有穩定的時間差，使得脈衝產生電路的脈衝和有源續流電路的脈衝到達觸發沿面時間可調，防止過電壓損壞半導體器件。

光信號產生電路用於將按鈕信號轉換成光信號，光信號處理電路用於接收信號並產生小幅度的電脈衝開通晶閘管。光信號產生電路，利用單穩態觸發器產生穩定可調節的具有一定時間差的脈衝。光信號通過轉換為MOS管的觸發信號，晶閘管的電壓信號由更大的電容給出，提升了輸出帶負載的能力。圖2示出了光信號產生電路的具體電路，包括：第一觸發器U1、第二觸發器U2、第三觸發器U3、第一非門U4、第二非門U5、第一光纖發射頭D1、第二光纖發射頭D2、閉合開關S1、電R1、電阻R2、電容C1、電阻R3、電容C2、電阻R4、電容C3、電阻R5、電阻R6；

第一觸發器U1的電源端VCC連接至5V電壓，第一觸發器U1的CLR端連接至5V電壓，第一觸發器U1的上升沿輸入端1A通過閉合開關S1連接至5V電壓，第一觸發器U1的下降沿輸入端1B通過電阻R1連接至5V電壓，第一觸發器U1的下降沿輸入端1B還接地；第一觸發器U1的外接定時電阻口1Rext/Cext通過電阻R2連接至5V電壓，第一觸發器U1的外接定時電容口1Cext通過電容C1連接至5V電壓；

第二觸發器U2的電源端VCC連接至5V電壓，第二觸發器U1的CLR端連接至5V電壓，第二觸發器U2的上升沿輸入端1A連接至第一觸發器U1的正輸出端1Q，第二觸發器U2的下降沿輸入端1B接地；第二觸發器U2的外接定時電阻口1Rext/Cext通過電阻R3連接至5V電壓，第二觸發器U2的外接定時電容口1Cext通過電容C2連接至5V電壓；

第三觸發器U3的電源端VCC連接至5V電壓，第三觸發器U3的CLR端連接至5V電壓，第三觸發器U3的上升沿輸入端1A連接至5V電壓，第三觸發器U3的下降沿輸入端1B連接至第一觸發器U1的正輸出端1Q；第三觸發器U3的外接定時電阻口1Rext/Cext通過電阻R4連接至5V電壓，第三觸發器U3的外接定時電容口1Cext通過電容C3連接至5V電壓；

其中，第一觸發器U1、第二觸發器U2和第三觸發器U3均可以採用單穩態觸發晶片，分別與之相連的R2和C1、R3和C2、R4和C3的乘積決定了單穩態觸發器的暫穩態時長。U1的信號輸出端1Q同時連接U2的上升沿輸入端1A和U3的下降沿輸入端1B；單穩態觸發晶片U1的輸出信號的寬度決定改光信號產生電路兩路信號輸出的時間差，該信號寬度通過改變R2的大小進行調節。第一非門U4和第二非門U5的輸出信號通過光纖發射頭的二極體D1、D2和電阻R5、R6連接到5V電源。在閉合開關S1的時候U1入一個上升脈衝，U1輸出一個較窄的約為2μs脈衝，該脈衝的上升沿觸發U2，下降沿觸發U3，U2、U3輸出一個高電平脈衝，高電平脈衝通過非門晶片U4、U5變為低電平脈衝，使得二極體發光產生光信號。

本發明實施例提供的與觸發真空開關配套使用的有源觸發裝置中有兩套晶閘管觸發電路，接收的光信號分別來自於D1和D2，該電路的原理是光纖接收頭接收信號，轉化的電信號通過驅動MOS管產生脈衝，經脈衝變壓器輸出達到觸發晶閘管的目的。其中，晶閘管觸發電路的具體電路如圖3所示，包括：光纖信號接收頭U6、MOS管驅動晶片U7、電感L1、電阻R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15，電容C4、C5，發光二極體D3，二極體D4、D5、D6、D8、D9穩壓二極體D7，MOS管Q脈衝變壓器T1。

15V的電源經過限流電感和電阻連接到電容C4一端，電阻R8與發光二極體串聯然後並在電容C4兩端；C4經過一個電阻R9連接到脈衝變壓器T1，然後經過一個MOS管Q接地，二極體D4與電阻R10串聯之後並於變壓器T1的輸入端；齊納二極體D7和電阻R12並聯在MOS管的柵極和源極之間；二極體D5並聯在變壓器的輸出端，二極體D6接於變壓器副方，D6另一端與電阻R11相連，R11的另一端與變壓器的另一端相連；U6的信號輸出端通過二極體D8、D9連接到5V和地電位上；U7為MOS管驅動晶片，輸入端通過上拉電阻R15連接到5V電源，輸出端經過上拉電阻R14連接到15V電源，經過限流電阻R13連接到MOS管Q的柵極。

15V的電源經過限流電感和電阻連接到電容C4一端，電阻R8與發光二極體串聯然後並在電容C4兩端；C4被充滿電之後為產生的觸發脈衝提供能量，電阻R8較大，對C4的影響可以不計，D3為電路正常上電的指示燈。C4經過一個電阻R9連接到脈衝變壓器T1，然後經過一個MOS管Q接地，二極體D4與電阻R10串聯之後並於變壓器T1的輸入端；電路中的D4和R10的作用是在迴路發生振蕩時起到反向續流的作用，MOS管Q的作用是閉合脈衝產生的迴路產生觸發脈衝的脈衝。齊納二極體D7和電阻R12並聯在MOS管的柵極和源極之間；D7的作用是保持柵極和源極之間的電壓，防止將MOS管損壞，電阻R12的作用是通流防止D7損壞。二極體D5並聯在變壓器的輸出端，二極體D6接於變壓器副方，D6另一端與電阻R11相連，R11的另一端與變壓器的另一端相連；D5的作用是在迴路振蕩時反向通流，D6的作用是保證輸出脈衝電壓的極性為正，R11的作用是在空載情況下起到同流的作用。

U6為光纖信號接收頭，在其電源和地電極之間並有一個電容C5；其作用是提高光纖接收頭工作時電源的供電能力。U6的信號輸出端通過二極體D8、D9連接到5V和地電位上；的作用是將光纖接收頭的輸出信號電壓鉗位在0V和5V之間。U7為MOS管驅動晶片，輸入端通過上拉電阻R15連接到5V電源，輸出端經過上拉電阻R14連接到15V電源，經過限流電阻R13連接到MOS管Q的柵極。

在光信號產生迴路發出信號之後，U6輸出高電平，經驅動晶片U7使得MOS管Q導通，電容C4對脈衝變壓器放電，從而在副方產生晶閘管觸發脈衝。

圖4為本裝置的脈衝產生電路和有源續流迴路的電路圖，圖中LOOP1為脈衝產生電路，LOOP2為有源續流迴路。脈衝產生電路通過開通晶閘管，使儲能電容經脈衝變壓器對觸發沿面放電。脈衝產生電路包括：晶閘管SCR1、電容C7、二極體D10和脈衝變壓器T2，電容C7經過晶閘管SCR1連接到脈衝變壓器T2兩端，T2的原方並聯二極體D10，副方連接至觸發真空開關的觸發極兩端，其中晶閘管SCR1的門極連接到晶閘管觸發電路的輸出端的「+」極,其陰極接於晶閘管觸發電路的「-」極，與之配套的晶閘管觸發電路連接光纖發射頭D1；電容C7為擊穿晶閘管觸發沿面提供初始能量，晶閘管SCR1閉合產生原方脈衝，二極體D10在迴路發生振蕩時保證反向通流，防止電容C7與變壓器T2電感諧振。

有源續流電路中充電的有源續流電容在觸發沿面擊穿後對觸發沿面放電，以提高初始等離子體的數量以及增加觸發沿面的導通時間。有源續流迴路包括：二極體D11、二極體D12、二極體D13、二極體D14、電阻R16、電阻R17、電阻R18、電阻R19、二極體D15、電容C8、晶閘管SCR2、二極體D15、電阻R21、變壓器T3，其中，變壓器T3原方接市電，副方通過電阻R21和二極體D15連接至續流電容C8，二極體D15和電阻R20並聯之後再與晶閘管SCR2串聯，之後再將它們與電容C8並聯，二極體D11、D12、D13、D14兩端分別並聯電阻R16、R17、R18、R19，將其串聯經觸發真空開關的觸發沿面接於R20兩端，晶閘管SCR2配套使用的晶閘管觸發電路連接發射頭D2，晶閘管的門極連接到晶閘管觸發電路的輸出端的「+」極,其陰極接於晶閘管觸發電路的「-」極；T3將市電升壓提供續流電容的充電電壓，R21為充電電流限流，D15保證電流單向流通，C8為儲能電容，晶閘管SCR2閉合使續流開始，D15的作用是提供電容反向通流迴路，防止反向電流其經過觸發沿面，D11、D12、D13、D14的作用是保證電流單向流通，用多級二極體的目的是為了提高二極體的耐壓能力，R16、R17、R18、R19、R20的作用是保證二極體之間電壓分布均勻。有源續流電路中的多個二極體以及一個晶閘管可以保證電容放電可靠且單向流通。有源續流電路中的多個電阻與二極體並聯以保證二極體分壓均勻避免損壞。基於觸發真空開關的有源續流觸發裝置，在電路出現振蕩的時候，反向電流通過續流二極體釋放。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。