摘要：本文介绍反向开关晶闸管（RSD）的结构原理及触发开通条件，通过对回路中关键元器件的分析，建立了基于大功率窄脉冲电源的RSD触发试验回路。试验研究了不同磁环数量及触发回路电流大小对RSD触发开通的影响，并得到了一定电压条件下理想磁开关及触发回路形式。证明了RSD开关在大功率窄脉冲电源上应用的可行性。
关键词：反向开关晶体管；RSD；大功率窄脉冲电源；触发方式
1 引言
反向开关晶体管（Reversely Switched Dynistor，简称RSD）是一种半导体脉冲功率开关，由于其大电流、高di/dt、高耐压及较高工作频率的特点，已被应用于国内军用、航天事业。随着环保排放标准的提高，脉冲功率技术在环保方面特别是污染物一体化处理上也越来越受重视。目前脉冲电源核心开关元器件主要有晶闸管、IGBT等，由于开关自身的缺陷如速度慢、不耐高电压和大电流等，限制了脉冲技术在环保方面的快速发展[1-2]。因此研究基于大功率窄脉冲电源的RSD触发方式，对于脉冲功率技术在环保领域的更广泛应用有重大意义。
2 RSD结构与触发开通条件
图1为单个RSD的基本结构示意图，是由数万个相间排列的晶闸管和晶体管单元组成。RSD通过反向电流触发开通，最终实现了在整个器件面积上的同步均匀开通。与晶闸管不同，RSD没有门极，触发开通后流通面积损失小，可实现短时间内实现大电流，且开通速度快，均压问题小，可以串联使用。
图1 RSD结构示意图
将RSD作为开关元器件应用于脉冲电源上，需解决两个问题：提供一定量级和持续时间的反向触发电流；使主回路延迟开通，保证RSD充分触发开通。
3 关键元器件
3.1触发回路
图2 谐振触发原理图
RSD触发方式一般包括直接式触发和谐振式触发两种[2-3]。
谐振式触发方式原理如图2所示。电源同时给C1和C2充电，当开关S闭合后，C2通过电感L反向充电，形成谐振，最终实现了RSD开通。设计困难为不同主回路电压等级下，需要调整R1及L参数以满足RSD触发条件。
直接触发方式原理如图3所示。触发回路电容C2采用独立电源反向充电，当开关S闭合后，C2直接对RSD放电，为RSD触发提供反向电流。相比于谐振触发方式，直接触发方式触发电流便于控制，在不同主回路电压等级条件下无须调整触发回路元器件参数。
图3 直接触发原理图
无论哪种触发方式，对开关S的di/dt要求都很高。且谐振触发方式中开关S必须承受主回路电压，直接触发方式中开关S必须承受主回路电压和触发回路电压之和。
3.2磁开关
为了保证RSD的充分触发主回路磁开关SL同时起到隔离和提高开通速度的作用。其工作原理是基于磁性材料的非线性特性，即在一定时间内对电流进行阻挡，当达到磁饱和后，电感值下降，主回路随之开通。磁开关的阻挡时间T与磁开关的本身特性及磁开关两端施加电压有关：
（1）
式中：
—磁开关两端施加电压，V；
—线圈匝数；
—线圈磁通量变化；
— 磁芯截面积，m2。
磁开关电感为：
（2）
式中：
—磁性材料真空磁导率，
；
—磁性材料相对磁导率；
—绕线匝数；
—磁性圆环横截面积，m2；
—磁性圆环的平均磁路长度，m。
当磁开关处于非饱和状态时，相对磁导率会很高（一般为10000—400000），磁开关电感非常大，此时磁开关可近似为开路状态。当磁开关饱和时，磁芯相对磁导率急剧下降（一般为1—5），磁开关电感减小，此时磁开关可近似为一根导线。磁开关从非饱和过程进入饱和过程的时间即为磁开关的饱和时间[4-5]。
在RSD充分触发导通条件下，通过调整磁环数量和匝数，达到饱和时间和电感值的平衡。当磁开关匝数增大时，可增大磁开关饱和时间（即阻挡时间），但同时磁开关电感增大，使形成脉冲电压的脉宽增大。增大磁环数量，增大磁开关饱和时间的同时增大了磁开关体积，最终影响整个回路系统的体积大小。所以要均衡考虑磁开关形式。
4 试验结果与分析
4.1 试验条件
本次试验采用直接触发方式。主回路中RSD堆是由7个RSD串联组成，电容C1额定电压5kV，磁芯选择纳米晶磁环，磁环外径为83mm，内径43mm，电阻Z0为1Ω，取值根据脉冲变压器初次端阻抗。选取IGBT作为触发回路中开关S，C2电压为1200V，R1为调节电阻，通过调节R1阻值达到RSD的充分触发电流。
4.2 触发电流大小
通过控制开关S的闭合，保证了触发电流的持续时间。通过调整触发回路中R1阻值来保证触发电流的大小。
（a）R1=6Ω
（b）R1=1.5Ω
图4 不同阻值R1时的波形
图4为在保证磁开关阻挡时间条件下，R1不同阻值大小下时磁开关与RSD电压波形。a图中R1=6Ω，b图中R1=1.5Ω。正常情况下，RSD触发开通后的残压为几伏至几十伏。在图3（a）中，可以看出R1=6Ω时，RSD触发开通后残余电压出现明显回升尖峰，这是由于触发电流不足，RSD触发开通不均匀引起的。减小R1阻值，当R1=1.5Ω，增大触发回路电流大小后，残余电压回升尖峰变小，RSD均匀开通。因此可知，当R1=1.5Ω时，触发回路电流大小及开关S闭合时间满足RSD充分触发开通要求。
4.3 磁开关形式
根据磁开关的工作机理，磁开关开通后，若磁芯不能被复位，在下一个脉冲放电时，磁开关很快饱和，阻挡时间降低，降低甚至失去延时导通功能。所以需对磁芯进行复位，恢复磁开关阻挡时间。本试验采用电流源磁复位电路，通过施加与磁开关饱和电流相反的电流，产生反方向磁场，使磁开关复位，保证磁开关的阻挡时间。
（a）n=12
（b）n=14
图5 不同磁开关个数的波形
图5为磁开关匝数为1匝，主回路电压为5kV，不同磁环数量时的RSD与磁开关波形，a图磁环数量为12，b图磁环数量为14。从图中可以看出当n=12时，RSD触发开通后残余电压出现明显回升尖峰较大，触发开通不均匀，根据公式（1）计算可知此时磁开关阻挡时间为2.4us。增大磁环数量n=14时，RSD触发开通后残余电压回升尖峰变小，触发开通均匀，根据公式（1）计算可知此时磁开关阻挡时间2.5us。因此可知，当磁环数量为15个，磁开关匝数为1匝时，可满足主回路电压为5kV条件下，RSD充分触发开通。
5 结论
本文主要研究了基于大功率窄脉冲电源的RSD触发回路，试验采用RSD直接触发方式，当主回路电压为5kV时，触发回路电阻为1.5Ω；磁开关选用14个磁环，匝数为1匝，阻挡时间为2.5us可满足RSD充分触发开通。证明了RSD开关在大功率窄脉冲电源上应用的可行性。
参考文献：
[1] 余岳辉，梁琳.脉冲功率器件及其应用[M].北京：机械工业出版社，2010.3
[2] 王莹，等.脉冲功率科学与技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.8
[3] 雷民，马亮，等.基于RSD开关的脉冲放电试验研究[J].高电压技术，2008.11
[4] 彭亚斌.基于RSD的重复频率脉冲功率电路研究[D].武汉：华中科技大学，2012
[5] 余亮.脉冲开关器件RSD应用关键技术研究[D].武汉：华中科技大学，2014
作者简介：
任燕（1982—），女，陕西西安人，硕士，工程师，从事环保除尘新技术研发工作。E-mail：renyan-1126@163.com
论文作者:任燕,孔春林,周方圆,杜佳棋,徐斌
论文发表刊物:《电力设备》2018年第3期
论文发表时间:2018/6/13
标签：回路论文; 脉冲论文; 电压论文; 电流论文; 时间论文; 方式论文; 电源论文; 《电力设备》2018年第3期论文;