付旭輝，方春恩，薛濤，黃雷超，陳軍平

（1.西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都 610039；2.成都旭光電子股份有限公司，四川 成都 610500）

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技的不斷發(fā)展與進(jìn)步，大量非線性和沖擊性負(fù)荷負(fù)載不斷增加，電能質(zhì)量問題日趨嚴(yán)重，電壓暫降和短時(shí)斷電成為最主要的問題[1-3]。尤其醫(yī)療和IT行業(yè)等敏感負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量要求極高，電壓暫降或短時(shí)斷電都可能造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，目前固態(tài)切換開關(guān)（solid state transfer switch，SSTS）[4-5]是解決電壓暫降和短時(shí)斷電等電能質(zhì)量問題最有效的手段之一。

SSTS切換時(shí)觸發(fā)晶閘管閥體是一個(gè)核心問題。目前晶閘管觸發(fā)主要以光電觸發(fā)為主[6-11]。文獻(xiàn)[8]介紹了一種五脈沖晶閘管閥光電觸發(fā)電子板，詳細(xì)介紹了晶閘管光電觸發(fā)電子板的結(jié)構(gòu)和功能，但只是仿真驗(yàn)證其設(shè)計(jì)電路功能。文獻(xiàn)[9]介紹了一種三脈沖晶閘管閥光電觸發(fā)電子板，其邏輯回路采用傳統(tǒng)邏輯模塊實(shí)現(xiàn)，未考慮晶閘管在恢復(fù)階段的過電壓保護(hù)。文獻(xiàn)[10]介紹兩種不同的晶閘管觸發(fā)控制單元，分析了兩種觸發(fā)控制單元的功能及電路差異，但未給出具體實(shí)現(xiàn)過程。文獻(xiàn)[11]提到了一種SSTS觸發(fā)控制單元，該文獻(xiàn)只是簡(jiǎn)單地介紹SSTS觸發(fā)控制單元的組成結(jié)構(gòu)，并未給出具體的電路及觸發(fā)實(shí)現(xiàn)。

為此，本文設(shè)計(jì)了一種新的固態(tài)切換開關(guān)觸發(fā)控制單元（trigger control unit，TCU），該觸發(fā)控制單元能很好地觸發(fā)固態(tài)切換開關(guān)晶閘管閥體。首先介紹觸發(fā)控制單元結(jié)構(gòu)組成，其次介紹觸發(fā)控制單元中重要模塊邏輯回路、過電壓保護(hù)電路、電壓檢測(cè)回路的原理功能，最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證觸發(fā)控制單元的功能，仿真和實(shí)驗(yàn)都證明該觸發(fā)控制單元的可靠性和正確性。

1 固態(tài)切換開關(guān)結(jié)構(gòu)原理

1.1 固態(tài)切換開關(guān)結(jié)構(gòu)

圖1為固態(tài)切換開關(guān)結(jié)構(gòu)原理圖，其主要由主電源、后備電源、晶閘管閥和動(dòng)靜態(tài)均壓電阻電容構(gòu)成。圖中，PS1和PS2為快速機(jī)械開關(guān)，TH1和TH2為反并聯(lián)的晶閘管閥，RP1和RP2分別為TH1和TH2的晶閘管的靜態(tài)均壓電阻，CS1及RS1為TH1的動(dòng)態(tài)均壓電容和電阻，CS2及RS2為TH2的動(dòng)態(tài)均壓電容和電阻。

圖1 固態(tài)切換開關(guān)原理圖Fig.1 Schematic diagram of solid transfer state switch

1.2 固態(tài)切換開關(guān)工作原理

當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，主電源通過機(jī)械開關(guān)PS1向負(fù)載供電，此時(shí)PS1處于閉合狀態(tài)，PS2處于斷開狀態(tài)，晶閘管閥TH1和TH2均處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到主電源故障時(shí)，PS1斷開同時(shí)觸發(fā)晶閘管閥TH1，PS1斷開產(chǎn)生的電弧電壓因晶閘管閥的導(dǎo)通而熄滅，電流轉(zhuǎn)移到晶閘管支路同時(shí)撤銷觸發(fā)命令，晶閘管閥因電流自然過零而關(guān)斷。然后再觸發(fā)晶閘管閥TH2，TH2導(dǎo)通后閉合機(jī)械開關(guān)PS2，TH2導(dǎo)通后兩端電壓壓降很小，PS2閉合也不會(huì)產(chǎn)生電弧。此時(shí)系統(tǒng)由備用電源供電。反之亦然，當(dāng)主電源恢復(fù)正常后，又從備用電源切換至主電源。

2 固態(tài)切換開關(guān)觸發(fā)控制單元

2.1 觸發(fā)控制單元結(jié)構(gòu)圖及功能

圖2為固態(tài)切換開關(guān)觸發(fā)控制單元的結(jié)構(gòu)原理圖。其主要由電源監(jiān)視模塊、電壓檢測(cè)回路、du/dt檢測(cè)回路、邏輯回路、脈沖放大回路、過電壓保護(hù)電路、光接收器和光發(fā)射器組成。

圖2 觸發(fā)控制單元結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 Schematic diagram of trigger control unit structure

固態(tài)切換開關(guān)觸發(fā)控制單元主要功能如下：

1）接收來自觸發(fā)系統(tǒng)的脈沖編碼信號(hào)，通過光接受器將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，最后通過邏輯回路和觸發(fā)回路生成脈沖觸發(fā)信號(hào)用以觸發(fā)晶閘管。

2）當(dāng)正常觸發(fā)失敗后，有后備觸發(fā)保證晶閘管能再次觸發(fā)而不會(huì)承受過電壓燒毀。

3）在不同工作階段能產(chǎn)生不同的回報(bào)信號(hào)，通過光發(fā)射器發(fā)送給控制系統(tǒng)，從而監(jiān)控晶閘管閥體和觸發(fā)控制單元是否正常。

2.2 邏輯回路

邏輯回路是觸發(fā)控制單元的核心部分。邏輯回路采用復(fù)雜可編程器件（complex programmin logic device，CPLD）芯片和Verilog硬件描述語(yǔ)言代替?zhèn)鹘y(tǒng)的邏輯硬件模塊，比傳統(tǒng)的邏輯硬件模塊具有更低的延時(shí)和更高的效率。整個(gè)觸發(fā)過程在時(shí)序上可以分為四個(gè)不同的階段。邏輯回路觸發(fā)控制時(shí)序如圖3所示。

圖3 邏輯回路觸發(fā)控制時(shí)序圖Fig.3 Logic circuit trigger control sequence diagram

第一階段：晶閘管閥觸發(fā)階段。當(dāng)晶閘管電壓檢測(cè)回路檢測(cè)到晶閘管兩端正向電壓超過設(shè)定的電壓動(dòng)作值，并且能夠在50 μs內(nèi)連續(xù)收到觸發(fā)單元送來的兩個(gè)單脈沖即雙脈沖（double pulses，DP）信號(hào)[12]，則晶閘管觸發(fā)控制單元將產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)脈沖，該觸發(fā)脈沖經(jīng)過脈沖放大回路放大用于觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通。如果在晶閘管觸發(fā)階段，晶閘管觸發(fā)控制單元的正常觸發(fā)通道損壞，觸發(fā)控制單元不能產(chǎn)生晶閘管觸發(fā)脈沖時(shí)，只要晶閘管兩端的正向電壓大于過電壓保護(hù)電路的動(dòng)作值，則過電壓保護(hù)電路將動(dòng)作輸出高電平，該高電平電壓一方面直接作用于晶閘管門極觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，防止晶閘管承受過電壓損壞，另一方面送到邏輯回路，此時(shí)邏輯回路輸出一個(gè)回報(bào)脈沖信號(hào)，該回報(bào)脈沖信號(hào)經(jīng)過光發(fā)射器返回到控制系統(tǒng)，表明過電壓保護(hù)動(dòng)作。

第二階段：晶閘管負(fù)電壓檢測(cè)階段。在觸發(fā)控制單元收到觸發(fā)系統(tǒng)送來的第一個(gè)單脈沖SP1時(shí)進(jìn)入負(fù)向電壓檢測(cè)階段。當(dāng)晶閘管兩端的電壓小于負(fù)電壓設(shè)定值，則觸發(fā)控制單元將發(fā)出一個(gè)負(fù)電壓建立回報(bào)脈沖信號(hào)UNEG，該UNEG信號(hào)通過光發(fā)射器送到控制系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)收到回報(bào)信號(hào)UNEG后，控制系統(tǒng)中的晶閘管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（thyristor monitoring，TM）便開始累計(jì)信號(hào)UNEG的個(gè)數(shù)，當(dāng)TM計(jì)數(shù)到一個(gè)晶閘管閥內(nèi)UNEG的個(gè)數(shù)超過設(shè)定值時(shí)，觸發(fā)系統(tǒng)發(fā)出第二個(gè)單脈沖SP2并通過光接收器送到觸發(fā)控制單元。該單脈沖信號(hào)SP2用于結(jié)束晶閘管負(fù)壓檢測(cè)[12-13]。

第三階段：晶閘管du/dt檢測(cè)階段。在觸發(fā)控制單元收到觸發(fā)系統(tǒng)送來的第二個(gè)單脈沖SP2信號(hào)時(shí)進(jìn)入晶閘管du/dt檢測(cè)階段。當(dāng)晶閘管兩端的du/dt超過設(shè)定值時(shí)du/dt檢測(cè)回路動(dòng)作輸出一個(gè)高電平脈沖送到邏輯回路，邏輯回路發(fā)出脈沖觸發(fā)信號(hào)用于觸發(fā)晶閘管重新導(dǎo)通，同時(shí)通過光發(fā)射器給控制系統(tǒng)返回一個(gè)du/dt脈沖回報(bào)信號(hào)。晶閘管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)累計(jì)每個(gè)閥中晶閘管du/dt動(dòng)作的個(gè)數(shù)，若超過設(shè)定的du/dt動(dòng)作個(gè)數(shù)，將由晶閘管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)觸發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)雙脈沖DP，經(jīng)光接收器送到晶閘管觸發(fā)控制單元后去觸發(fā)閥中的所有晶閘管導(dǎo)通[13]。若晶閘管du/dt動(dòng)作的個(gè)數(shù)小于設(shè)定值，TM僅累計(jì)閥中du/dt的動(dòng)作數(shù)目，觸發(fā)控制單元不再重新觸發(fā)整個(gè)晶閘管閥導(dǎo)通。

第四階段：晶閘管狀態(tài)檢測(cè)階段。在觸發(fā)控制單元收到觸發(fā)系統(tǒng)送來第三個(gè)單脈沖SP3信號(hào)時(shí)進(jìn)入晶閘管狀態(tài)檢測(cè)階段。該階段將檢測(cè)晶閘管是否損壞，在第二個(gè)單脈沖SP2后，經(jīng)過固定的延時(shí)，觸發(fā)系統(tǒng)將產(chǎn)生第三個(gè)單脈沖SP3，該單脈沖SP3經(jīng)光接收器將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并送到觸發(fā)控制單元上的邏輯回路分析后，觸發(fā)控制單元會(huì)發(fā)出一個(gè)回報(bào)脈沖信號(hào)，該回報(bào)脈沖信號(hào)經(jīng)光發(fā)射器送回到控制系統(tǒng)。如果控制系統(tǒng)接收不到該回報(bào)脈沖信號(hào)，則認(rèn)為是晶閘管發(fā)生了故障。

2.3 過電壓保護(hù)電路

過電壓保護(hù)電路可以在晶閘管正常觸發(fā)通道損壞后作為后備觸發(fā)電路，保證晶閘管在觸發(fā)階段能正常導(dǎo)通，以免晶閘管遭受過電壓而損壞。傳統(tǒng)晶閘管過電壓保護(hù)采用擊穿二極管（break over diode，BOD）進(jìn)行保護(hù)[14-17]，高電壓等級(jí)的保護(hù)需要多個(gè)BOD的串聯(lián)使用，占用體積大，BOD隨溫度變化，動(dòng)作值也會(huì)變化，影響保護(hù)動(dòng)作值的穩(wěn)定性。本文設(shè)計(jì)了一種過電壓保護(hù)電路，該電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，保護(hù)動(dòng)作值穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 過電壓保護(hù)電路原理圖Fig.4 Schematic of overvoltage protection circuit

圖4中Th為晶閘管，Com1為電壓比較器，過電壓保護(hù)動(dòng)作閾值為

式中：Rp為晶閘管靜態(tài)均壓電阻；Ra為分壓電阻；Uf1為電壓比較器的基準(zhǔn)電壓。

由圖4可知，晶閘管兩端的電壓由靜態(tài)均壓電阻Rp和電阻Ra分壓，改變Ra的值可以得到不同過電壓保護(hù)動(dòng)作值。當(dāng)Ra上的電壓高于比較器基準(zhǔn)電壓Uf1，比較器輸出端將變?yōu)楦唠娖?。該高電平直接作用于晶閘管門極觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，同時(shí)邏輯回路收到過電壓保護(hù)的高電平信號(hào)，并將發(fā)出一個(gè)回報(bào)脈沖信號(hào)，表明過電壓保護(hù)電路動(dòng)作。

2.4 電壓檢測(cè)回路

電壓檢測(cè)回路的主要功能是檢測(cè)晶閘管兩端的電壓，當(dāng)晶閘管兩端電壓變化，電壓檢測(cè)回路在不同階段提供電平信號(hào)給邏輯回路，邏輯回路輸出相應(yīng)的回報(bào)脈沖信號(hào)和觸發(fā)脈沖信號(hào)。其中，Rp為晶閘管靜態(tài)均壓電阻，兼做電壓檢測(cè)回路的分壓電阻。電壓檢測(cè)回路分為正向電壓檢測(cè)和負(fù)向電壓檢測(cè)兩種工作情況。電壓檢測(cè)回路如圖5所示。圖5中，Q為邏輯回路輸出，正向檢測(cè)時(shí)輸出為0 V，負(fù)向電壓檢測(cè)時(shí)為+10 V。

圖5 電壓檢測(cè)回路原理圖Fig.5 Schematic diagram of voltage detection circuit

正向電壓檢測(cè)時(shí)，電阻 R1，R2，R3相當(dāng)于并聯(lián)，晶閘管兩端電壓由靜態(tài)均壓電阻Rp和R1，R2，R3并聯(lián)后的電阻串聯(lián)分壓。C1電容很小，可忽略不計(jì)。R1，R2，R3并聯(lián)后等效電阻為

正向電壓檢測(cè)動(dòng)作值為

式中：Uf2為電壓比較器基準(zhǔn)值。

負(fù)向電壓檢測(cè)時(shí)，二極管V2承受反向電壓而關(guān)斷，R2與檢測(cè)電路斷開，負(fù)向電壓動(dòng)作值為

3 仿真分析

3.1 邏輯回路仿真

在QuartusⅡ仿真軟件中采用Verilog硬件描述語(yǔ)言仿真驗(yàn)證邏輯回路的正確性。仿真驗(yàn)證了正常觸發(fā)、過電壓保護(hù)動(dòng)作觸發(fā)和du/dt保護(hù)動(dòng)作觸發(fā)三種不同時(shí)序波形的情況。

仿真結(jié)果如圖6～圖8所示。圖6～圖8中rst為邏輯芯片的復(fù)位信號(hào)，clk為時(shí)鐘信號(hào)，dudt為晶閘管兩端電壓的變化率，pulse為脈沖編碼信號(hào)，u為電壓檢測(cè)回路的輸出，Ubo為過電壓動(dòng)作信號(hào)，chufa和huibao分別為邏輯回路輸出的觸發(fā)脈沖信號(hào)和回報(bào)脈沖信號(hào)。

圖6 正常觸發(fā)波形Fig.6 Waveforms of normal trigger

圖7 過電壓保護(hù)動(dòng)作波形Fig.7 Waveforms of overvoltage protection action

圖8 du/dt動(dòng)作波形Fig.8 Waveforms of du/dt action

由圖6可知，邏輯回路接收到觸發(fā)系統(tǒng)的雙脈沖信號(hào)就會(huì)發(fā)出一個(gè)觸發(fā)脈沖信號(hào)，該觸發(fā)信號(hào)經(jīng)脈沖放大電路放大，觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通。圖7為正常觸發(fā)通道損壞，晶閘管兩端電壓不斷增加到達(dá)閾值，邏輯回路接收到過電壓保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，發(fā)出一個(gè)回報(bào)脈沖信號(hào)。圖8為晶閘管恢復(fù)階段，dudt檢測(cè)電路動(dòng)作，晶閘管兩端電壓變化率超過動(dòng)作值，邏輯回路發(fā)出一個(gè)觸發(fā)脈沖信號(hào)用于重新導(dǎo)通晶閘管，并返回一個(gè)回報(bào)脈沖信號(hào)給觸發(fā)系統(tǒng)。

3.2 過電壓保護(hù)電路仿真

基于Saber仿真軟件搭建了過電壓保護(hù)電路仿真模型。仿真模型與過電壓保護(hù)原理圖一致，靜態(tài)均壓電阻Rp為100 kΩ，電壓比較器基準(zhǔn)電壓值為5 V，Ra為112 Ω，仿真結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，在2.68 ms左右時(shí)晶閘管兩端電壓超過4 500 V，電壓比較器輸出高電平，晶閘管門極獲得過電壓保護(hù)電路動(dòng)作的高電平信號(hào)，晶閘管導(dǎo)通，晶閘管兩端的電壓降為0 V，比較器輸出變?yōu)榈碗娖健?/p>

圖9 過電壓保護(hù)仿真波形Fig.9 Simulation waveform of overvoltage protection

3.3 電壓檢測(cè)回路仿真

基于Saber仿真軟件搭建了電壓檢測(cè)回路仿真模型。設(shè)置電源電壓幅值300 V、頻率50 Hz，靜態(tài)均壓電阻Rp為100 kΩ，電阻R1為5 000 Ω，R2為 8 000 Ω，R3為100 kΩ，電容C1為120 pF，比較器基準(zhǔn)電壓Uf2為5 V。脈沖電源在10 ms時(shí)為+10 V，模擬負(fù)壓檢測(cè)階段，仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 電壓檢測(cè)仿真波形Fig.10 Simulation waveforms of voltage detection

由圖10可知，約在1.98 ms時(shí)晶閘管兩端電壓達(dá)到170 V左右，電壓比較器達(dá)到動(dòng)作值，比較器輸出高電平，此時(shí)晶閘管門極得到觸發(fā)脈沖，晶閘管導(dǎo)通，其兩端電壓降為0 V，比較器輸出變?yōu)榈碗娖健Ｔ?0 ms時(shí)，電壓檢測(cè)進(jìn)入負(fù)向電壓檢測(cè)階段，電壓比較器輸入電壓突變?yōu)?0 V，電壓比較器輸出高電平。當(dāng)晶閘管兩端電壓降低到-80 V左右時(shí)，比較器輸出由高電平變成低電平。在第三階段時(shí)，當(dāng)晶閘管兩端電壓上升到-50 V左右時(shí)，比較器又輸出高電平。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)固態(tài)切換開關(guān)觸發(fā)控制單元的正確性，搭建了觸發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)采用了中國(guó)中車型號(hào)為KPX-1300-65的晶閘管，其斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓UDSM為5 600 V，電壓比較器型號(hào)為L(zhǎng)M339，邏輯回路采用Alter公司型號(hào)為EPM1270F256I5的芯片，靜態(tài)均壓電阻為100 kΩ，動(dòng)態(tài)均壓電阻和動(dòng)態(tài)均壓電容分別為30 Ω和1 μF，觸發(fā)控制單元采用直流電源供電，其余各電路參數(shù)與仿真參數(shù)一致。觸發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖11所示，限于實(shí)驗(yàn)條件，在低壓條件完成了正常觸發(fā)的實(shí)驗(yàn)。

圖11 觸發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.11 Trigger experiment platform

圖12～圖14分別為控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖編碼信號(hào)、邏輯回路輸出的正常觸發(fā)脈沖信號(hào)及回報(bào)脈沖信號(hào)。圖12為第一階段雙脈沖波形，脈沖寬度為 3 μs，兩個(gè)脈沖的間隔為30 μs，滿足雙脈沖條件能準(zhǔn)確觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通。邏輯回路收到雙脈沖信號(hào)，輸出一個(gè)脈寬為10 μs，幅值為3.3 V的觸發(fā)信號(hào)，如圖13所示，觸發(fā)信號(hào)經(jīng)脈沖放大回路放大，用于晶閘管的門極觸發(fā)導(dǎo)通。在觸發(fā)第二階段和第四階段都能收到正常的脈沖回報(bào)信號(hào)，回報(bào)信號(hào)脈沖寬度也為10 μs，如圖14所示。

圖12 脈沖編碼波形Fig.12 Waveform of pulse coding

圖13 觸發(fā)信號(hào)波形Fig.13 Waveform of trigger single

圖14 回報(bào)信號(hào)波形Fig.14 Waveform of return signal

圖15為觸發(fā)信號(hào)經(jīng)脈沖放大回路放大的晶閘管門極觸發(fā)脈沖波形，脈沖寬度50 μs左右，脈沖穩(wěn)態(tài)幅值6.2 V，尖端峰值為7.63 V，以確保能準(zhǔn)確觸發(fā)晶閘管開通。圖16為晶閘管兩端電壓波形，在晶閘管兩端電壓超過電壓設(shè)定閾值170 V左右時(shí)，晶閘管同時(shí)收到觸發(fā)脈沖信號(hào)，此時(shí)晶閘管導(dǎo)通，電壓降至約為0 V左右。

圖15 晶閘管門極觸發(fā)脈沖波形Fig.15 Waveform of thyristor gate trigger pulse

圖12～圖16實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該觸發(fā)控制單元功能的準(zhǔn)確性和正確性。

圖16 晶閘管電壓波形Fig.16 Waveform of thyristor voltage

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種固態(tài)切換開關(guān)觸發(fā)控制單元，分析了該觸發(fā)控制單元的結(jié)構(gòu)組成及工作原理，給出了其核心模塊邏輯回路工作時(shí)序流程及工作原理，給出過電壓保護(hù)電路、電壓檢測(cè)回路的工作原理及設(shè)計(jì)參數(shù)，并對(duì)該觸發(fā)控制單元進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其能很好地觸發(fā)固態(tài)切換開關(guān)晶閘管閥體，并能很好地監(jiān)視固態(tài)切換開關(guān)閥體中晶閘管和觸發(fā)控制單元的狀態(tài)。