基于晶闸管的PSM模块CROWBAR控制研究

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动作后通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 pared 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

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。高的门极触发电流可以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

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可以在6微秒以内关断，但是一旦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，通过逻辑判断，最终通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CROW AR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（可以设定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，同时通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他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。

通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T R后，重新开启IGBT，此时若输出仍短路，则经过电感电流i L线性上升至过流阀值I T 的时间T L后再次关断IGBT，如此循环，循环周期：

T＝T R + T L (3)其中，T R和T L分别为：

T R=0.7R R C R (4)

T L=LI T/V O (5)连续保护通过计数电路(图1.3)实现，脉冲间隙时间T G为：

T G=0.7R G C G >T (6) 若输出持续短路，由于T G >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。