一种与触发真空开关配套使用的有源触发装置的制作方法

本发明属于大功率脉冲技术领域，更具体地，涉及一种与触发真空开关配套使用的有源触发装置。

背景技术：

触发真空开关是一种将真空开关技术和三电极火花技术结合在一起的新型器件，并且在大功率脉冲系统中得到了应用，触发真空开关的触发方式有激光触发和脉冲触发两种，两者的区别在于前者使用激光照射产生初始等离子体，脉冲触发是通过击穿沿面产生初始等离子体。对于触发真空开关的触发源，其主要特征由触发电压，触发电流两个量表征。

触发真空开关的工作存在如下技术问题：(1)触发真空开关在电力系统中使用时，由于开关电压会变成工频交流电，电压会变成负压，在此情况下触发真空开关的工作方式变成了负极性触发，触发真空开关在负极性模式下工作不可靠。(2)触发真空开关的开通不应一味追求触发电压大，过高电压会使得触发真空开关尾部放电。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种与触发真空开关配套使用的有源触发装置，旨在解决触发真空开关在正极性条件下不能百分之百可靠导通问题。

本发明提供了一种与触发真空开关配套使用的有源触发装置，包括：光信号产生电路，晶闸管触发电路，脉冲产生电路和有源续流电路；所述晶闸管触发电路的输入端连接至光信号产生电路的输出端，所述晶闸管触发电路先后分别输出第一脉冲信号和第二脉冲信号，脉冲产生电路的输入端和有源续流电路的输入端均连接至晶闸管触发电路的输出端，脉冲产生电路的输出端和有源续流电路的输出端均用于连接触发真空开关的输入端，所述脉冲产生电路根据所述第一脉冲信号输出第一触发信号并控制触发真空开关击穿触发沿面，所述有源续流电路根据所述第二脉冲信号输出第二触发信号并控制触发真空开关经触发沿面续流。

脉冲产生电路通过开通晶闸管，使储能电容经脉冲变压器对触发沿面放电。在触发沿面击穿后对触发沿面放电，以提高初始等离子体的数量以及增加触发沿面的导通时间。

更进一步地，所述光信号产生电路包括：第一触发器U1、第二触发器U2、第三触发器U3、第一非门U4、第二非门U5、第一光纤发射头D1、第二光纤发射头D₂、闭合开关S₁、电R₁、电阻R₂、电容C₁、电阻R₃、电容C₂、电阻R₄、电容C₃、电阻R₅和电阻R₆；所述第一触发器U1的电源端V_CC连接至5V电压，所述第一触发器U1的CLR端连接至5V电压，所述第一触发器U1的上升沿输入端1A通过闭合开关S1连接至5V电压，所述第一触发器U1的下降沿输入端1B通过电阻R₁连接至5V电压，所述第一触发器U1的下降沿输入端1B还接地；所述第一触发器U1的外接定时电阻口1R_ext/C_ext通过电阻R₂连接至5V电压，所述第一触发器U1的外接定时电容口1C_ext通过电容C₁连接至5V电压；所述第二触发器U2的电源端V_CC连接至5V电压，所述第二触发器U1的CLR端连接至5V电压，所述第二触发器U2的上升沿输入端1A连接至所述第一触发器U1的正输出端1Q，所述第二触发器U2的下降沿输入端1B接地；所述第二触发器U2的外接定时电阻口1R_ext/C_ext通过电阻R₃连接至5V电压，所述第二触发器U2的外接定时电容口1C_ext通过电容C₂连接至5V电压；所述第三触发器U3的电源端V_CC连接至5V电压，所述第三触发器U3的CLR端连接至5V电压，所述第三触发器U3的上升沿输入端1A连接至5V电压，所述第三触发器U3的下降沿输入端1B连接至第一触发器U1的正输出端1Q；所述第三触发器U3的外接定时电阻口1R_ext/C_ext通过电阻R₄连接至5V电压，所述第三触发器U3的外接定时电容口1C_ext通过电容C₃连接至5V电压；所述第一非门U4的输入端连接至第二触发器U2的正输出端1Q，所述第一光纤发射头D1的阴极连接至所述第一非门U4的输出端，所述第一光纤发射头D1的阳极通过所述电阻R5连接至5V电压；所述第二非门U5的输入端连接至第三触发器U3的正输出端1Q，所述第二光纤发射头D2的阴极连接至所述第二非门U5的输出端，所述第二光纤发射头D2的阳极通过所述电阻R6连接至5V电压。

更进一步地，所述晶闸管触发电路包括：光纤信号接收头U6、MOS管Q、MOS管驱动芯片U7、电感L₁、电阻R₇、电阻R₈、电阻R₉、电阻R₁₀、电阻R₁₁、电阻R₁₂、电阻R₁₃、电阻R₁₄、电阻R₁₅、电容C₄、电容C₅、发光二极管D₃、二极管D₄、二极管D₅、二极管D₆、二极管D₈、二极管D₉、稳压二极管D₇和MOS管Q脉冲变压器T1；所述电容C₄的一端通过依次串联连接的电阻R₇和电感L₁连接至15V电压，所述电容C₄的另一端接地；发光二极管D₃的阳极通过电阻R₈连接至所述电容C₄的一端，发光二极管D₃的阴极接地；MOS管Q脉冲变压器T1的初级绕组的一端通过电阻R₉连接至所述电容C₄的一端，MOS管Q脉冲变压器T1的初级绕组的另一端连接至MOS管Q的漏极；二极管D₄的阴极连接至T1的初级绕组的一端，二极管D₄的阳极通过电阻R₁₀连接至MOS管Q的漏极；MOS管Q的源极接地，MOS管Q的栅极通过电阻R₁₃连接至U7的输出端OUT；稳压二极管D₇的阴极连接至MOS管Q的栅极，稳压二极管D₇的阳极接地；所述电阻R₁₂与所述稳压二极管D₇并联连接；所述二极管D₅的阴极连接至T1的次级绕组的一端，所述二极管D₅的阳极连接至T1的次级绕组的另一端，所述二极管D₆的阳极连接至T1的次级绕组的一端，所述电阻R₁₁的一端与所述二极管D₆的阴极连接后作为所述晶闸管触发电路的输出端正极；所述电阻R₁₁的另一端连接至T1的次级绕组的另一端；光纤信号接收头U6的电源端Vcc连接至5V电压，光纤信号接收头U6的地端GND接地；电容C₅连接在所述光纤信号接收头U6的电源端Vcc与地端GND之间；二极管D₈和二极管D₉依次串联连接在5V电压与地之间，二极管D₈和二极管D₉的串联连接端与光纤信号接收头U6的DATA端连接；电阻R₁₅连接在5V电压与光纤信号接收头U6的DATA端之间；MOS管驱动芯片U7的电源端连接15V电压，MOS管驱动芯片U7的输入端IN连接至光纤信号接收头U6的DATA端，MOS管驱动芯片U7的地端接地；电阻R₁₄连接在15V电压与U7的输出端OUT之间。

更进一步地，所述脉冲产生电路包括：晶闸管SCR₁、电容C₇、二极管D₁₀和脉冲变压器T₂；所述晶闸管SCR₁的阳极作为所述脉冲产生电路输入端正极，所述晶闸管SCR₁的阴极连接至脉冲变压器T₂的初级绕组的一端，所述电容C₇的一端连接至所述晶闸管SCR₁的阳极，二极管D₁₀的阴极连接至脉冲变压器T₂的初级绕组的一端，所述电容C₇的另一端、二极管D₁₀的阳极和脉冲变压器T₂的初级绕组的另一端连接后作为所述脉冲产生电路输入端负极；所述脉冲变压器T₂的次级绕组作为所述脉冲产生电路的输出端。

更进一步地，有源续流电路包括：二极管D₁₁、二极管D₁₂、二极管D₁₃、二极管D₁₄、电阻R₁₆、电阻R₁₇、电阻R₁₈、电阻R₁₉、电阻R₂₀、二极管D₁₅、电容C₈、晶闸管SCR₂、二极管D₁₅、电阻R₂₁和变压器T₃；二极管D₁₁的阴极作为所述有源续流电路的输入端正极，二极管D₁₁的阳极通过依次串联的二极管D₁₂、二极管D₁₃和二极管D₁₄连接至晶闸管SCR₂的阴极，二极管D₁₅的阴极连接至晶闸管SCR₂的阳极，二极管D₁₅的阳极通过电阻R₂₁连接至变压器T₃的初级绕组的一端；电阻R₁₆与二极管D₁₁并联连接；电阻R₁₇与二极管D₁₂并联连接；电阻R₁₈与二极管D₁₃并联连接；电阻R₁₉与二极管D₁₄并联连接；电阻R₂₀的一端连接至晶闸管SCR₂的阴极，二极管D₁₅的阴极连接至晶闸管SCR₂的阴极，电容C₈的一端连接至二极管D₁₅的阴极；电阻R₂₀的另一端、二极管D₁₅的阳极和电容C₈的另一端均连接至变压器T₃的初级绕组的另一端；变压器T₃的次级绕组作为所述有源续流电路的输出端。

多个二极管以及一个晶闸管保证电容放电可靠且单向流通。多个电阻与二极管并联以保证二极管分压均匀避免损坏。发出的两路触发信号具有稳定的时间差，使得脉冲产生电路的脉冲和有源续流电路的脉冲到达触发沿面时间可调，防止过电压损坏半导体器件。在电路出现振荡的时候，反向电流通过续流二极管释放。利用单稳态触发器产生稳定可调节的具有一定时间差的脉冲。光信号通过转换为MOS管的触发信号，晶闸管的电压信号由更大的电容给出，提升了输出带负载的能力。

本发明提供了一种能够提供大触发能量的触发源，保证触发真空开关在正极性工作时百分之百可靠开通，在负极性工作模式下触发成功率有效提升，有源续流触发源的触发电压可高达15kV至20kV，触发电压可达680A，触发时导通时间，相比于其他无缘续流触发源工作特性得到了明显提高，并且其触发装置做到了小型化，可广泛与触发真空开关配合使用。

附图说明

图1是本发明实施例提供的与触发真空开关配套使用的有源触发装置的原理框图。

图2是本发明实施例提供的与触发真空开关配套使用的有源触发装置中光信号产生电路的具体电路原理图。

图3是本发明实施例提供的与触发真空开关配套使用的有源触发装置中晶闸管触发电路的具体电路原理图。

图4是本发明实施例提供的与触发真空开关配套使用的有源触发装置中脉冲产生电路和有源续流电路的具体电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的与触发真空开关配套使用的有源触发装置，现结合附图和具体实例详述如下：

图1示出了本发明实施例提供的与触发真空开关配套使用的有源触发装置的原理框图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

与触发真空开关配套使用的有源触发装置包括：光信号产生电路，晶闸管触发电路，脉冲产生电路和有源续流电路；晶闸管触发电路的输入端连接至光信号产生电路的输出端，晶闸管触发电路先后分别输出第一脉冲信号和第二脉冲信号，脉冲产生电路的输入端和有源续流电路的输入端均连接至晶闸管触发电路的输出端，脉冲产生电路的输出端和有源续流电路的输出端均用于连接触发真空开关的输入端，脉冲产生电路根据第一脉冲信号输出第一触发信号并控制触发真空开关击穿触发沿面，源续流电路根据第二脉冲信号输出第二触发信号并控制触发真空开关经触发沿面续流。

光信号产生电路产生光信号，通过光纤传递到两套晶闸管触发电路，两套晶闸管触发电路先后产生脉冲，脉冲产生电路首先触发，击穿触发沿面，然后有源续流回路触发，经触发沿面续流。光信号电路发出的两路触发信号具有稳定的时间差，使得脉冲产生电路的脉冲和有源续流电路的脉冲到达触发沿面时间可调，防止过电压损坏半导体器件。

光信号产生电路用于将按钮信号转换成光信号，光信号处理电路用于接收信号并产生小幅度的电脉冲开通晶闸管。光信号产生电路，利用单稳态触发器产生稳定可调节的具有一定时间差的脉冲。光信号通过转换为MOS管的触发信号，晶闸管的电压信号由更大的电容给出，提升了输出带负载的能力。图2示出了光信号产生电路的具体电路，包括：第一触发器U1、第二触发器U2、第三触发器U3、第一非门U4、第二非门U5、第一光纤发射头D1、第二光纤发射头D₂、闭合开关S₁、电R₁、电阻R₂、电容C₁、电阻R₃、电容C₂、电阻R₄、电容C₃、电阻R₅、电阻R₆；

第一触发器U1的电源端VCC连接至5V电压，第一触发器U1的CLR端连接至5V电压，第一触发器U1的上升沿输入端1A通过闭合开关S1连接至5V电压，第一触发器U1的下降沿输入端1B通过电阻R₁连接至5V电压，第一触发器U1的下降沿输入端1B还接地；第一触发器U1的外接定时电阻口1R_ext/C_ext通过电阻R₂连接至5V电压，第一触发器U1的外接定时电容口1C_ext通过电容C₁连接至5V电压；

第二触发器U2的电源端VCC连接至5V电压，第二触发器U1的CLR端连接至5V电压，第二触发器U2的上升沿输入端1A连接至第一触发器U1的正输出端1Q，第二触发器U2的下降沿输入端1B接地；第二触发器U2的外接定时电阻口1R_ext/C_ext通过电阻R₃连接至5V电压，第二触发器U2的外接定时电容口1C_ext通过电容C₂连接至5V电压；

第三触发器U3的电源端VCC连接至5V电压，第三触发器U3的CLR端连接至5V电压，第三触发器U3的上升沿输入端1A连接至5V电压，第三触发器U3的下降沿输入端1B连接至第一触发器U1的正输出端1Q；第三触发器U3的外接定时电阻口1R_ext/C_ext通过电阻R₄连接至5V电压，第三触发器U3的外接定时电容口1C_ext通过电容C₃连接至5V电压；

其中，第一触发器U1、第二触发器U2和第三触发器U3均可以采用单稳态触发芯片，分别与之相连的R₂和C₁、R₃和C₂、R₄和C₃的乘积决定了单稳态触发器的暂稳态时长。U1的信号输出端1Q同时连接U2的上升沿输入端1A和U3的下降沿输入端1B；单稳态触发芯片U1的输出信号的宽度决定改光信号产生电路两路信号输出的时间差，该信号宽度通过改变R₂的大小进行调节。第一非门U4和第二非门U5的输出信号通过光纤发射头的二极管D₁、D₂和电阻R₅、R₆连接到5V电源。在闭合开关S₁的时候U1入一个上升脉冲，U1输出一个较窄的约为2μs脉冲，该脉冲的上升沿触发U2，下降沿触发U3，U2、U3输出一个高电平脉冲，高电平脉冲通过非门芯片U4、U5变为低电平脉冲，使得二极管发光产生光信号。

本发明实施例提供的与触发真空开关配套使用的有源触发装置中有两套晶闸管触发电路，接收的光信号分别来自于D₁和D₂，该电路的原理是光纤接收头接收信号，转化的电信号通过驱动MOS管产生脉冲，经脉冲变压器输出达到触发晶闸管的目的。其中，晶闸管触发电路的具体电路如图3所示，包括：光纤信号接收头U6、MOS管驱动芯片U7、电感L₁、电阻R₇、R₈、R₉、R₁₀、R₁₁、R₁₂、R₁₃、R₁₄、R₁₅，电容C₄、C₅，发光二极管D₃，二极管D₄、D₅、D₆、D₈、D₉稳压二极管D₇，MOS管Q脉冲变压器T1。

15V的电源经过限流电感和电阻连接到电容C₄一端，电阻R₈与发光二极管串联然后并在电容C₄两端；C₄经过一个电阻R₉连接到脉冲变压器T₁，然后经过一个MOS管Q接地，二极管D₄与电阻R₁₀串联之后并于变压器T₁的输入端；齐纳二极管D₇和电阻R₁₂并联在MOS管的栅极和源极之间；二极管D₅并联在变压器的输出端，二极管D₆接于变压器副方，D₆另一端与电阻R₁₁相连，R₁₁的另一端与变压器的另一端相连；U6的信号输出端通过二极管D₈、D₉连接到5V和地电位上；U7为MOS管驱动芯片，输入端通过上拉电阻R₁₅连接到5V电源，输出端经过上拉电阻R₁₄连接到15V电源，经过限流电阻R₁₃连接到MOS管Q的栅极。

15V的电源经过限流电感和电阻连接到电容C₄一端，电阻R₈与发光二极管串联然后并在电容C₄两端；C₄被充满电之后为产生的触发脉冲提供能量，电阻R₈较大，对C₄的影响可以不计，D₃为电路正常上电的指示灯。C₄经过一个电阻R₉连接到脉冲变压器T₁，然后经过一个MOS管Q接地，二极管D₄与电阻R₁₀串联之后并于变压器T₁的输入端；电路中的D₄和R₁₀的作用是在回路发生振荡时起到反向续流的作用，MOS管Q的作用是闭合脉冲产生的回路产生触发脉冲的脉冲。齐纳二极管D₇和电阻R₁₂并联在MOS管的栅极和源极之间；D₇的作用是保持栅极和源极之间的电压，防止将MOS管损坏，电阻R₁₂的作用是通流防止D₇损坏。二极管D₅并联在变压器的输出端，二极管D₆接于变压器副方，D₆另一端与电阻R₁₁相连，R₁₁的另一端与变压器的另一端相连；D₅的作用是在回路振荡时反向通流，D₆的作用是保证输出脉冲电压的极性为正，R₁₁的作用是在空载情况下起到同流的作用。

U6为光纤信号接收头，在其电源和地电极之间并有一个电容C₅；其作用是提高光纤接收头工作时电源的供电能力。U6的信号输出端通过二极管D₈、D₉连接到5V和地电位上；的作用是将光纤接收头的输出信号电压钳位在0V和5V之间。U7为MOS管驱动芯片，输入端通过上拉电阻R₁₅连接到5V电源，输出端经过上拉电阻R₁₄连接到15V电源，经过限流电阻R₁₃连接到MOS管Q的栅极。

在光信号产生回路发出信号之后，U6输出高电平，经驱动芯片U7使得MOS管Q导通，电容C4对脉冲变压器放电，从而在副方产生晶闸管触发脉冲。

图4为本装置的脉冲产生电路和有源续流回路的电路图，图中LOOP₁为脉冲产生电路，LOOP₂为有源续流回路。脉冲产生电路通过开通晶闸管，使储能电容经脉冲变压器对触发沿面放电。脉冲产生电路包括：晶闸管SCR₁、电容C₇、二极管D₁₀和脉冲变压器T₂，电容C₇经过晶闸管SCR₁连接到脉冲变压器T₂两端，T₂的原方并联二极管D₁₀，副方连接至触发真空开关的触发极两端，其中晶闸管SCR₁的门极连接到晶闸管触发电路的输出端的“+”极,其阴极接于晶闸管触发电路的“-”极，与之配套的晶闸管触发电路连接光纤发射头D₁；电容C₇为击穿晶闸管触发沿面提供初始能量，晶闸管SCR₁闭合产生原方脉冲，二极管D₁₀在回路发生振荡时保证反向通流，防止电容C₇与变压器T₂电感谐振。

有源续流电路中充电的有源续流电容在触发沿面击穿后对触发沿面放电，以提高初始等离子体的数量以及增加触发沿面的导通时间。有源续流回路包括：二极管D₁₁、二极管D₁₂、二极管D₁₃、二极管D₁₄、电阻R₁₆、电阻R₁₇、电阻R₁₈、电阻R₁₉、二极管D₁₅、电容C₈、晶闸管SCR₂、二极管D₁₅、电阻R₂₁、变压器T₃，其中，变压器T₃原方接市电，副方通过电阻R₂₁和二极管D₁₅连接至续流电容C₈，二极管D₁₅和电阻R₂₀并联之后再与晶闸管SCR₂串联，之后再将它们与电容C₈并联，二极管D₁₁、D₁₂、D₁₃、D₁₄两端分别并联电阻R₁₆、R₁₇、R₁₈、R₁₉，将其串联经触发真空开关的触发沿面接于R₂₀两端，晶闸管SCR₂配套使用的晶闸管触发电路连接发射头D₂，晶闸管的门极连接到晶闸管触发电路的输出端的“+”极,其阴极接于晶闸管触发电路的“-”极；T₃将市电升压提供续流电容的充电电压，R₂₁为充电电流限流，D₁₅保证电流单向流通，C₈为储能电容，晶闸管SCR₂闭合使续流开始，D₁₅的作用是提供电容反向通流回路，防止反向电流其经过触发沿面，D₁₁、D₁₂、D₁₃、D₁₄的作用是保证电流单向流通，用多级二极管的目的是为了提高二极管的耐压能力，R₁₆、R₁₇、R₁₈、R₁₉、R₂₀的作用是保证二极管之间电压分布均匀。有源续流电路中的多个二极管以及一个晶闸管可以保证电容放电可靠且单向流通。有源续流电路中的多个电阻与二极管并联以保证二极管分压均匀避免损坏。基于触发真空开关的有源续流触发装置，在电路出现振荡的时候，反向电流通过续流二极管释放。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。