一种15kV可控硅放电开关制造技术

本发明专利技术涉及一种15kV可控硅放电开关系统，属于可控硅放电开关领域，由四个光控可控硅T2563N80TOH、动态均压RCD回路、静态均压回路和瞬态电压保护回路组成了额定电压为15kV，最高工作电压达到30kV的，最大放电电流达到93kA的可控硅放电开关，将单个可控硅进行串联提升了可控硅控制的电压等级，并对串联可控硅结构面临动态均压、静态均压和同步等问题设计了合适的外部保护电路结构进行解决。为可控硅开关系统提供了一种提升电压等级并且改善动静态均压的方法。均压的方法。均压的方法。

【技术实现步骤摘要】
一种15kV可控硅放电开关


[0001]本专利技术涉及一种可控硅放电开关技术，本文通过分析现有串联可控硅结构的动态和静态均压措施，确定出串联可控硅开关保护电路方案。

技术介绍

[0002]可控硅作为最常用的半导体开关器件，普遍具有优良的通流能力，允许通过电流可从几百安培至上千安培，单个可控硅被广泛应用在重复频率低、电压小但需要通过大电流的场合，可控硅元件所具有的耐压能力和电流容量是最高的，并且经过长时间测试后证明可控硅电气性能稳定，是高压脉冲大电流放电设备领域的主要基本开关元件。目前可控硅所面临的的主要问题之一是动态均压问题和静态均压问题，因此需要根据不同电压等级、电流容量和不同频率场合来选择合理的均压保护电路结构参数来弥补器件自身性能不均衡的问题及保护可控硅元件。

技术实现思路

[0003]为了解决单个可控硅电压等级不足以满足电力系统要求以及动态均压问题和静态均压问题问题，本专利技术的目的是设计一个15kV可控硅放电开关，通过以下技术方案来实现：
[0004](1)首先从可控硅自身特性出发选择可控硅电气器件；
[0005](2)选择同步性更好的触发电路以减小由可控硅导通过程的时间不一致导致的动态均压问题；
[0006](3)通过针对不同电压等级、电流容量和不同频率场合来选择合理的均压保护电路结构参数来弥补器件自身性能不均衡的问题及保护可控硅元件，这些保护电路能够有效改善串联均压效果，降低可控硅两端电压上升速率以及保护可控硅元件。
[0007]进一步地，本设计将针对高压串联可控硅工作特性进行理论分析，确定电路方案，通过选取合适的外部保护电路结构来实现串联可控硅的动态和静态均压。
[0008]如上所述，本专利技术将设计一种15kV可控硅放电开关，本专利技术的效果：
[0009]本专利技术通过对光控可控硅工作原理以及工作过程进行分析，将单个可控硅电压进行串联，提升了可控硅放电开关的的电压等级，并对其静态、动态以均压回路以及过电压抑制电路耐压计算，在选定了适合的电路器件的同时也解决了串联可控硅结构面临动静态均压和同步等问题。
附图说明
[0010]图1为静态均压电路图；
[0011]图2为RCD缓冲回路图；
[0012]图3为可控硅开关电路原理图；
[0013]图4为15kV可控硅放电开关机械结构示意图；
[0014]图中1为水冷散热片，2为光控可控硅3为绝缘板，4为水冷散热器，5为连接板，6为绝缘垫块，7为动态均压电容，8为螺母和螺栓。
具体实施方式
[0015]以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本专利技术的具体实施方式可以是多种多样的，可以有其他的实施方式和应用，需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，遂图示中仅显示与本专利技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0016]图1所示为静态均压电路图，通过外部电路串联可控硅使每个管两端电压趋于一致，在稳定的正向或者反向阻断状态下，给每只串联器件并联一只均压电阻，在不考虑各单元之间的漏电流差异的条件下，采用阻值相同的四只均压电阻来使得各可控硅承担的电压相同，为了达到均压效果，静态均压电阻需要远远小于可控硅的泄漏电阻。
[0017]图2所示为RCD缓冲电路图，为了降低可控硅上的电流上升速率，在可控硅两端并联缓冲回路，并在动态均压电阻并联一个快速二极管，再达到更好的过电压抑制效果的同时，还可以有效地防止电路震荡。
[0018]图3所示为本设计串联部分电路图，共有四级串联单元，每个可控硅级包含一个光控可控硅T2563N80TOH，两个RI80X
‑
1W电阻串联组成的静态均压电阻RS，两个STM
‑
3000
‑
0.82 电容器串联组成的动态均压电容C1，四个二极管两并连串组成的动态均压二极管D2，一只 251AEC151KDS电阻构成的动态均压电阻R，10只TVS管SMAJ440CA组成的瞬态电压抑制回路。通过计算可得到10个SMAJ440CA串联组成的TVS电压抑制电路反向击穿电压大于4.92kV，最大箝位电压为7.13kV。满足串联可控硅开关工作电压3.75kV和最大允许安全电压7.5kV的要求。
[0019]图4所示为开关机械结构，整体采用压装结构，用专业的安装工具将上下两连接板、可控硅和散热器通过螺母和带绝缘套的PEEK材质螺栓连接压装，由于金属螺母表面的尖端会造成电场分布不均匀的问题，要用半导电胶带把螺母缠上，降低尖端放电对开关绝缘性能的影响。静态均压电阻，动态均压电阻，TVS抑制管和动态均压回路中的快速二极管都是由多个体积较小的元器件通过串并联的方式组成的，为了增大散热效率并且减小开关体积，将这些电阻和二极管直接连接在散热器上，这样的结构极大地增大了散热面积，还减弱器件通流时由机械振动产生的噪声。动态均压电容用安装架配合绝缘垫块将其紧紧固定，电容器与可控硅和散热器的高度差由绝缘垫块补充，相邻可控硅单元间用薄铜条连接其中螺栓在实际安装时要安装绝缘套，螺母在安装后要缠上半导胶带，这样的结构通过专业工具压装紧固可以确保器件不会因为挤压使发生损坏并且开关极大地节省了空间，为运输安装等工作提供了便利。
[0020]上述实施例仅例示性说明本专利技术的原理及其功效，而非用于限制本专利技术。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本专利技术的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种额定电压15kV的可控硅放电开关系统，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：通过对静态均压回路耐压计算，选取了适合的静态均压回路器件；步骤二：通过对动态均压回路耐压计算，选取了适合的动态均压回路器件；步骤三：通过对过电压抑制电路耐压计算，选取了适合的过电压抑制电路器件；步骤四：过电压抑制电路耐压计算，通过对其均压措施、同步策略和触发方式进行分析，设计一个由可控硅串联的15kV可控硅放电开关电路图。2.根据权利要求1所述一种15kV可控硅放电开关系统，其特征在于，步骤一具体包括：在只考虑静态均压回路而不考虑其他保护电路的前提下，假设整个开关电压为U
T
，单个可控硅两端电压记为U
T1
到U
T4
，已知选用的光控可控硅工作在额定重复峰值电压U
RRM
时时的漏电流I
RRM
约为23mA，假设两个可控硅间的最大泄露电流之差ΔI
Tmax
为1mA，且这个差值存在于第一个第二个可控硅之间，其他可控硅的泄露电流均与第二个可控硅相同，此时静态均压电阻上的电流为I
1R1
到I
4R1
，则有：由上式可得：U
T
＝nU
T1
‑
(n
‑
1)R
S
ΔI
T
当可控硅工作在断态最高电压时，可以得到R1最大值为：此外静态均压电阻应满足其上最大功率不能大于它的额定功率：P1≥(U
T
/n)2/R
S
代入数据求解得R
S
≤5000kΩ，P1≥2.81W。通过数据对比可以得知选取的静态均压电阻满足以上要求。3.根据权利要求1所述一种15kV可控硅放电开关系统，其特征在于，步骤二具体包括：在RCD回路中，充电过程中二极管的存在使动态均压电阻短路，动态均压电容器充电时可能会产生很大的电流，这个电流是由于各串联的可控硅开通不同步造成...

【专利技术属性】
技术研发人员：张冬，刘家安，齐继，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：