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基于晶闸管的PSM模块CROWBAR控制研究
周君, 陈滋健 等

摘要: 本文根据EAST装置中NBI加速极高压电源特点, 设计了基于晶闸管的PSM模块CROWBAR控制方法, 在系统打火等严重故障情况下及时撤除高压以保护系统设备和人员安全。和传统引燃管CROWBAR保护相比, NBI加速极电源系统在每个PSM模块上并联晶闸管作为快速旁路开关, 在CROWBAR动作后经过串联快速直流熔断器迅速切断电网和负载的连接。测试实验表明CROWBAR运行可靠稳定, 具备抗干扰和快速动作能力, 能够满足EAST对NBI系统的运行要求。
关键词: 晶闸管; PSM模块; CROWBAR保护

The Research on CROWBAR Control of PSM based on Thyristor
ZHOU-jun,CHEN-zijian,QIAN-lixiu,JIANG-lei
(ECU Electronics CO.LTD.of CETC 38,hefei 230088,China)
Abstract:Discussions focus on the design considerations of CROWBAR,which make sure safe operation of NBI system and personnel by removing high voltage when serious faults happen such as arc inside the NBI chamber.Compared with the CROWBAR protection of being composed of traditional high power ignitrons,NBI accelerator supply adopt parallel thyristor structure with each PSM modular act as rapid bypass switch,by means of series connection of fast fuse to cut the link between grid and load after the CROWBAR is triggered.The test experiment show that CROWBAR system can not only meet the standard of safe steady operation,with anti-jamming and rapid triggle capacity,
but also be able to meet the requirement of EAST,an advanced full super-conducted TOKAMAK device.
Key words: thyristor; PSM Modular; CROWBAR protection

1 引言
大型全超导托卡马克核聚变实验装置(Experimental Advanced Superconducting Tokamak:EAST)是国家”九五”重大科学工程之一,中性束注入NBI (Neutral Beam Injectors:)是托卡马克装置中电流驱动和芯部辅助加热的重要手段.为了满足实验要求,NBI电源系统由一组大功率直流脉冲电源组成,而加速极高压电源是整个供电系统中最关键的部分[1] [2] [4] .
EAST实验需要将等离子体的离子温度达到8KeV, 这就要求NBI系统的功率达到6-8MW,NBI加速极高压电源输出电压达到100kV, 输出额定电流100A。为实现该目标, 采用PSM(Pulse Step Modulator)技术, 由100个PSM电源模块串联得到100kV高压。
NBI在束源打火时, 高压电源封锁输出, 如故障保护系统监测到高压未切断( 拒动) 时间>4us, 须启动CROWBAR, 确保高压电源的能量输入NBI系统时间<15us的极限[1] 。CROWBAR保护是NBI系统的”生命线”, 一旦保护失败, 就将损坏价值昂贵的设备, 甚至危及到托卡马克的安全运行[3], 故CROWBAR保护动作的可靠性是整个装置的最关键的设计之一。
鉴于NBI加速极高压电源系统具有高压大功率和快速关断的要求, 结合PSM模块串联方案, 本文提出每一个PSM模块均设置由晶闸管、 快速直流熔断器和控制驱动电路组成的 CROWBAR保护系统。该方法具有分布式、 低成本、 高可靠的特点。
2 系统方案
基于晶闸管的PSM模块CROWBAR系统方案详述如下。

2.1电路原理
如图1.1所示, 在PSM模块中, IGBT为主开关, 用以快速开通和关断模块电压。其前级设有快速熔断器Fuse和晶闸管SCR组成CROWBAR后备保护电路。在负载( NBI加速极) 打火时, 控制电路发出信号快速关断IGBT。若IGBT拒动, 则动作CROWBAR: 首先快速触发导通SCR, 将短路电流切换至SCR通道以泻放能量。由于EAST是稳态运行, NBI加速极电源从电网供电, 因此系统CROWBAR动作时采用快速直流熔断器将短路回路切除, 快速分断电网与NBI系统。

图1.1 加速极电源模块保护电路原理图

2.2 参数分析
当负载短路时, 流过IGBT的电流迅速增加。电流上升率di/dt与限流电感L有关, 在EAST装置NBI系统中, PSM模块的限流电感L=100uH。由于在额定负载的情况下, PSM模块的输出电压Vo=1200V, 短路电流的上升率可由下面公式计算得出:
di/dt=Vo/L=12A/us ( 1)
PSM模块的额定电流为IN=100A, 假设负载短路6 us后, IGBT仍未动作, 则输出电流上升Io的值为:
Io=IN+ T (di/dt)=172A ( 2)
值得注意的是, 虽然L能够起到限制短路电流的作用, 但在实际的工程应用中, 系统分布电容储存的能量要释放到加速极, 而电感L无法对这部分电流起到限制作用, 因此实际工程对CROWBAR的动作速度要求更高。
必须采用强触发加速晶闸管开通速度。由式( 2) 可知检测到IGBT拒动时输出电流已上升至额定电流的1.72倍, CROWBAR必须在10 us内动作, 才能使负载短路电流限制在额定电流的3倍。
晶闸管是一种电流控制型的双极型半导体器件, 门极驱动单元类似于一个电流源, 门极触发脉冲特性对晶闸管的开通速度有非常显著的影响。高的门极触发电流能够明显降低器件的开通时间。若触发脉冲幅值接近于器件Igt时, 器件虽可开通, 但开通的延迟效应非常明显, 可能会高达数十微秒。因此, Ig必须远远大于Igt。
由于SCR在强触发下直接短路3mF电容, 因此有极高的di/dt。从晶闸管的机理分析, 晶闸管元件是一种四层三端半导体器件, 受触发晶闸管总是在靠近控制极的一个小区域内先行导通, 然后向四周扩散。如果线路di/dt大大快于结的开经过程的扩散速度, 即晶闸管刚开通一个小区域, 负载电流就上升到功率损耗的峰值, 功率损耗产生的热量足以使硅片的该小区烧熔, 使SCR击穿。一般称这小区域为〝热点〞, 即线路的di/dt超过元件最大允许的di/dt值, 大部分面积不起作用, 造成小部分面积负荷过度而损坏。打开实验过程中已烧毁的晶闸管的封装后, 均发现在控制极附近的阴极上有一个直径3mm左右、 深度0.2mm的烧熔痕迹。
当SCR因过高的di/dt击穿后, 必须依靠快速熔断器切断电源输入能量。由于流经CROWBAR的是直流短路电流, 要求采用直流快熔, 以达到在直流下快速灭弧的功能。快熔的额定电压高于整流桥交流侧线电压的有效值。
SCR击穿后呈现导通状态, 但维持导通的I2t为有限值。因此必须充分考虑直流快熔的熔断时间t, 它与熔断电流的大小有关。图1.2表示t∝1/ I2的关系曲线, 称为熔断器的S-A特性曲线。快速熔断器过载能力满足系统短路电流的要求后, 发生短路故障时能够隔离故障电流, 但能否保护所串联的器件则必须分析二者的I2t值。只有当快速熔断器的I2t值小于半导体器件I2t值时, 才能对半导体器件起到保护作用。

图1.2 t∝1/ I2的关系曲线

3 控制方法
NBI加速极高压电源打火时, 在一般情况下, IGBT能够在6微秒以内关断, 可是一旦IGBT没有关断( 拒动) , 必须在数微秒内导通SCR。
电流控制的总体思路如下: 从电流互感器取出信号Im, 然后进行放大调理, 经过逻辑判断, 最终经过驱动电路驱动相应的电力电子器件。
3.1控制要求
PSM电源模块CROWAR保护的控制逻辑如下:
①过流保护: 当负载回路的电流超过设置的阀值(120A), 立即关断IGBT, 延迟数百微秒后自动复位。如果出现连续的保护与开启过程N次( 能够设定N的值) , 则认为电源输出有严重的短路故障, 电源输出被立即封锁, 分断真空接触器CKJ。只有重新上电后才能开启IGBT。
②拒动保护动作CROWBAR: 不论是自动复位的过流保护还是封锁式过流保护, 只要IGBT关断信号发出6us后, 仍检测负载回路存在电流, 即认为IGBT拒动, 这是动作CROWBAR.的充分条件之一。
③即动保护动作CROWBAR: 当负载回路的电流超过即动过流保护点(180A), 立即触发SCR, 这是动作CROWBAR.的另一个条件。
总之, PSM电源模块以快速关断IGBT作为首选过流保护方法, 同时经过拒动保护检测和即动保护检测捕获CROWBAR动作的条件, 在CROWBAR动作时, 分断真空接触器CKJ。
在设计晶闸管CROWBAR控制系统时, 必须重视电路的抗干扰性能。大多数干扰表现为瞬时尖峰信号的形式, 即所谓”毛刺”, 当其幅值和能量达到一定程度时, 就极易导致晶闸管误导通, 使系统不能正常运行。在现场环境比较恶劣的情况下, 系统的抗干扰能力尤为重要。
控制系统内部干扰主要由共用的电源和地引起, 主要表现为一路脉冲的尖峰干扰信号在对应于其它几路脉冲的时刻出现。解决的措施为: ①将控制电源和脉冲电源分开, 并将各路脉冲电源分开, 以减少或消除脉冲间的相互干扰。②遵循”一点接地”原则, 接地电阻应尽量小:地线应尽量短而粗。这样, 才能在强触发情况下, 脉冲触发电流较大时使地线上两点间的电位差尽量小, 减少或消除”毛刺”。
为了抑制外部干扰源对控制系统影响, 必须采取的措施: ①尽量提高晶闸管触发的门限值; ②脉冲信号采用绞距小于1cm的双绞线或屏蔽线; ③控制与驱动设置屏蔽盒; ④触发电平未工作时为负电位, 这样就增加了噪声容限, 提高了晶闸管触发的可靠性; ⑤上电过程中封锁所有的控制信号,以避免电网的浪涌对控制信号的干扰。
经过采取上述抗干扰措施, 将脉冲的干扰毛刺抑制到很小的程度,保证了晶闸管的正常工作。
3.2 控制电路实现
针对以上论述的控制要求, 对具体的电路设计分述如下。
① 过流保护。采用高速比较器LM311进行过流检测并关断IGBT, 经过复位时间TR后, 重新开启IGBT, 此时若输出仍短路, 则经过电感电流iL线性上升至过流阀值IT的时间TL后再次关断IGBT, 如此循环, 循环周期:
T＝TR + TL (3)
其中, TR和TL分别为:
TR=0.7RRCR (4)
TL= LIT/VO (5)
连续保护经过计数电路(图1.3)实现, 脉冲间隙时间TG为:
TG=0.7RGCG >T (6)
若输出持续短路, 由于TG >T, 计数值不停累加。当计数值N等于设定值, 与非门打开, 发出信号关断CKJ。
计数器采用加权编码的方式, 计数的范围为0～256,具体计数的个数能够由拨动开关实现。

图1.3计数电路原理图

②拒动保护与即动保护检测。拒动保护信号来自于两个信号的与, 它们分别是关断发出6微秒和输出电流大于80A。当两个条件同时满足时, 与门输出为高电平, 动作CROWBAR。若负载回路的电流超过180A即动过流保护点, 快速比较器发出控制信号OC, 由RS触发器对予以封锁, 动作CROWBAR, 必须重新上电后封锁才能解除。
③晶闸管的触发电路:根据晶闸管的参数分析, 触发电路采取强触发方式, 电路原理图如图1.4所示。
采取高速光隔代替传统的脉冲变压器。因为脉冲变压器存在一定的漏感,影响了触发脉冲的上升时间(陡度)。触发脉冲经高速光隔U1及偏置电阻R1后,形成对三极管BGl的基极置电流.该电流经BGl放大后,经R2 输出触发电流Ig实现对可控硅的触发控制.电路触发电流的大小主要由R1及R2决定.设计中,为实现强触发, 三极管的集电极采取辅助电源供电,增强了的灌电流能力, 触发电流Ig为:
Ig=20﹣Vce-Vgt/R2=1.6A (7)
因此, Ig远远大于选取晶闸管Igt(200mA).经过以上的设计,满足了晶闸管强触发的条件。

图1.4 晶闸管触发电路原理图
4 实验结果
由于在正常的情况下晶闸管是不会被触发的, 为了验证其工作的性能, 进行如下的实验:
①将拒动时间6us更改为3us,测试的波形如图1.5所示。

图1.5 CH1 电流传感器的输出波形60A/格
CH2 SCR端电压波形

②将即动过流保护点180A更改为120A,测试的波形如图1.6所示.

图1.6 CH1 电流传感器的输出波形60A/格
CH2 SCR端电压波形

经过以上的测试结果, 能够看出晶闸管能够迅速可靠的触发, 实现CROWBAR保护设计的预期要求。

结论
本文将晶闸管用于NBI加速极电源系统PSM模块的CROWBAR后备保护, 分析了系统结构, 设计了控制电路, 进行了实验和测试。结果表明基于晶闸管的分布CROWBAR具有良好的性能, 满足EAST实验要求。

[参考文献]
[1] HuLQ , Wan BN, Hu CD, et a1．Neutral beam diagnostics for the HT-7 tokamak[J]．Review of Scientific Instruments． , 75(10): 3496-3498．
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[3] 丁同海. 刘保华. DNB高压电源CROWBAR系统研究,高电压技术. , 10( 33) : 133-136
[4] Wolfgang Forster and Jiirgen Alex
Systems. High-voltage, High power PSM For The Accurate Supply of GYKOTRON. Power Modulator Symposium, and High-Voltage Workshop.Conference Record of the Twenty-Fifth International Volume , Issue , 30 June-3 July :126 – 129.